Задание 4 ЕГЭ по химии: кристаллические решётки и виды связи

Что проверяет задание

Задание 4 проверяет умение соотносить состав и строение вещества с его физическими характеристиками. Проверяются два ключевых навыка:

• определять тип кристаллической решётки вещества по его формуле и природе связи между частицами;
• определять тип химической связи в веществе и полярность его молекул.

В основе — понимание того, что свойства вещества (твёрдость, температура плавления, электропроводность, растворимость) напрямую зависят от того, какие частицы находятся в узлах решётки и какая связь их удерживает.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типовая формулировка: «Из предложенного перечня выберите два вещества с одинаковым типом кристаллической решётки» или «выберите два вещества, молекулы которых полярны (неполярны)». Дан список из пяти веществ (формулы), нужно указать номера двух подходящих.

Особенности:

• ответ — комбинация из двух цифр, порядок не важен (проверяющая система принимает оба варианта записи, например 24 и 42);
• задание оценивается в 1 балл, засчитывается только полностью верный ответ (обе цифры совпадают, лишних нет);
• на задание отводится немного времени — важно узнавать тип решётки «в лицо», без долгих раздумий.

Что нужно знать

Типы кристаллических решёток:

• Атомная (ковалентная) — в узлах атомы, связаны прочными ковалентными связями. Примеры: алмаз $C$, графит, кремний $Si$, оксид кремния $SiO_2$, карбид кремния $SiC$, бор $B$. Свойства: очень высокая температура плавления, твёрдость, часто непроводимость тока (кроме графита).

• Молекулярная — в узлах молекулы, связаны слабыми межмолекулярными силами (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи), внутри молекул связь ковалентная. Примеры: лёд $H_2O$, сухой лёд $CO_2$, все простые вещества-неметаллы в виде молекул ($O_2$, $N_2$, $Cl_2$, $S_8$, $P_4$), фуллерен $C_{60}$, все органические вещества (углеводороды, спирты, кислоты), большинство газов. Свойства: низкие температуры плавления и кипения, летучесть, мягкость.

• Ионная — в узлах ионы (катионы и анионы), связаны ионной связью. Примеры: соли ($NaCl$, $NH_4NO_3$, $Al_2(SO_4)_3$), основания-щёлочи ($NaOH$, $KOH$), оксиды типичных металлов ($CaO$, $Na_2O$). Свойства: высокая температура плавления, хрупкость, расплавы и растворы проводят ток.

• Металлическая — в узлах атом-ионы металлов, связаны металлической связью через общее «электронное облако». Примеры: все простые вещества-металлы ($Na$, $Cu$, $Fe$, $Al$) и их сплавы. Свойства: электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность.

Виды химической связи:

• Ковалентная неполярная — между одинаковыми атомами неметаллов ($O_2$, $N_2$, $Cl_2$, простые вещества-неметаллы).
• Ковалентная полярная — между разными неметаллами ($HCl$, $H_2O$, $NH_3$, $CO_2$).
• Ионная — между металлом и неметаллом с большой разницей электроотрицательностей (типичный металл + типичный неметалл), а также в солях и щелочах.
• Металлическая — между атомами металлов в металлах и сплавах.
• Водородная — дополнительное взаимодействие между молекулами, где есть $H$, связанный с $F$, $O$ или $N$ ($H_2O$, спирты, $NH_3$, $HF$).

Полярность молекул зависит не только от полярности отдельных связей, но и от геометрии молекулы:

• если молекула симметрична и векторы диполей связей взаимно компенсируются — молекула неполярна, даже если связи полярны ($CO_2$ — линейная, $CH_4$ — тетраэдрическая);
• если геометрия несимметрична (есть неподелённые электронные пары у центрального атома, искажающие форму, или разные атомы по разным сторонам) — молекула полярна ($H_2O$ — угловая, $NH_3$ — пирамидальная).
• молекулы простых веществ с ковалентной неполярной связью ($O_2$, $N_2$, $Cl_2$) всегда неполярны;
• молекулы, где связь ковалентная полярная, но молекула одноатомна по строению относительно связи (например $HCl$ — двухатомная молекула из разных атомов) — всегда полярны, симметрии для компенсации диполя нет.

Методы решения

Метод 1. Классификация по классу вещества. Простые вещества-металлы → металлическая решётка. Простые вещества-неметаллы (кроме атомных кристаллов) → молекулярная. Соли, щёлочи, оксиды активных металлов → ионная. Атомные кристаллы ($C$, $Si$, $SiO_2$, $SiC$, $B$) — особый список, который нужно запомнить наизусть.

Пример: $NaCl$ — соль, значит решётка ионная; $Br_2$ — простое вещество-неметалл в виде молекулы, решётка молекулярная.

Метод 2. Запоминание списка «исключений» — атомных кристаллов. Это самая маленькая и самая важная для запоминания группа, потому что она отличается от «интуитивного» подхода (не все простые вещества-неметаллы молекулярны).

Список: алмаз и графит ($C$), кремний ($Si$), кварц и его модификации ($SiO_2$), карбид кремния $SiC$, бор $B$, нитрид бора $BN$.

Пример: $SiO_2$ — несмотря на то, что состоит из неметалла и кислорода, это не молекулярное вещество, а атомная (ковалентная) кристаллическая решётка с очень высокой температурой плавления (кварц, песок).

Метод 3. Определение связи по положению элементов в таблице Менделеева. Если оба элемента — неметаллы, связь ковалентная (полярная, если атомы разные, неполярная, если одинаковые). Если один элемент — типичный металл (щелочной, щёлочноземельный), а другой — неметалл, связь ионная.

Пример: $CaCl_2$ — кальций (типичный металл) и хлор (неметалл) → ионная связь; $PCl_3$ — оба неметаллы, разные → ковалентная полярная.

Метод 4. Анализ геометрии молекулы для определения полярности. Нужно представить пространственное строение молекулы (или вспомнить готовую геометрию) и проверить, компенсируются ли диполи связей.

Пример: у $BF_3$ (плоский треугольник, три одинаковые полярные связи под углом $120°$) диполи взаимно компенсируются — молекула неполярна, хотя каждая связь $B-F$ полярна.

Метод 5. Сопоставление физических свойств с типом решётки (обратная задача). Если в задании даны не формулы, а описания свойств (высокая температура плавления, хрупкость, электропроводность расплава), нужно сначала «перевести» свойства в тип решётки, а потом подобрать вещество.

Пример: вещество твёрдое, тугоплавкое, не проводит ток ни в твёрдом, ни в расплавленном виде — вероятно, атомная решётка (например, алмаз).

Алгоритм решения по шагам

1. Прочитать формулировку внимательно: что нужно найти — одинаковый тип решётки или полярность/неполярность молекул.
2. Для каждого вещества из перечня определить его класс: простое вещество-металл, простое вещество-неметалл, оксид, соль, основание, органическое соединение.
3. Для каждого вещества определить тип кристаллической решётки, используя классификацию по классу вещества и список исключений (атомные кристаллы).
4. Если вопрос о полярности молекул — для каждого вещества определить тип связи (полярная/неполярная ковалентная) и геометрию молекулы, сделать вывод о суммарной полярности.
5. Сравнить полученные характеристики всех пяти веществ и найти пару с совпадающим признаком.
6. Записать номера найденной пары в любом порядке (оба варианта записи цифр верны).

Разбор примеров

Пример 1.

Условие: выбрать два вещества с одинаковым типом кристаллической решётки из перечня: 1) $Cu$; 2) $SiO_2$; 3) $Al_2(SO_4)_3$; 4) $C$ (алмаз); 5) $C_3H_8$.

Шаг 1. Определяем класс и решётку каждого вещества:

• $Cu$ — простое вещество-металл → металлическая решётка.
• $SiO_2$ — оксид кремния, входит в список исключений (атомные кристаллы) → атомная решётка.
• $Al_2(SO_4)_3$ — соль → ионная решётка.
• $C$ (алмаз) — атомный кристалл углерода → атомная решётка.
• $C_3H_8$ (пропан) — органическое вещество, молекула → молекулярная решётка.

Шаг 2. Сравниваем: атомная решётка встречается у веществ 2 и 4 ($SiO_2$ и $C$).

Ответ: 24 (или 42).

Пример 2.

Условие: выбрать два вещества с одинаковым типом кристаллической решётки из перечня: 1) $Na$; 2) $SiO_2$; 3) $NH_4NO_3$; 4) $C_{60}$; 5) $C_2H_2$.

Шаг 1. Определяем решётку каждого вещества:

• $Na$ — металл → металлическая решётка.
• $SiO_2$ — атомный кристалл → атомная решётка.
• $NH_4NO_3$ — соль (нитрат аммония) → ионная решётка.
• $C_{60}$ (фуллерен) — молекулярная форма углерода, состоит из отдельных молекул $C_{60}$ → молекулярная решётка (важное исключение: несмотря на то, что это углерод, фуллерен не атомный кристалл, а молекулярный, в отличие от алмаза и графита).
• $C_2H_2$ (ацетилен) — органическое вещество, газ, состоит из молекул → молекулярная решётка.

Шаг 2. Сравниваем: молекулярная решётка у веществ 4 и 5 ($C_{60}$ и $C_2H_2$).

Ответ: 45 (или 54).

Пример 3.

Условие: выбрать два вещества, молекулы которых неполярны, из перечня: 1) $NH_3$; 2) $CH_4$; 3) $HCl$; 4) $H_2O$; 5) $CO_2$.

Шаг 1. Для каждого вещества определяем тип связи и геометрию молекулы:

• $NH_3$ — связь $N-H$ полярная, молекула пирамидальная (несимметричная из-за неподелённой пары электронов на азоте) → молекула полярна.
• $CH_4$ — связь $C-H$ слегка полярная, но молекула тетраэдрическая, полностью симметричная, диполи компенсируются → молекула неполярна.
• $HCl$ — связь $H-Cl$ полярная, молекула двухатомная из разных атомов, компенсации нет → молекула полярна.
• $H_2O$ — связь $O-H$ полярная, молекула угловая (из-за двух неподелённых пар на кислороде), несимметричная → молекула полярна.
• $CO_2$ — связь $C=O$ полярная, но молекула линейная и симметричная ($O=C=O$), диполи двух связей направлены в противоположные стороны и компенсируются → молекула неполярна.

Шаг 2. Неполярными оказались молекулы веществ 2 и 5 ($CH_4$ и $CO_2$).

Ответ: 25 (или 52).

Типичные ошибки и ловушки

• Путают $SiO_2$ с молекулярными оксидами: думают, что раз это оксид неметалла, значит решётка молекулярная. На самом деле $SiO_2$ — атомный кристалл, его обязательно нужно запомнить как исключение.
• Считают фуллерен $C_{60}$ аналогом алмаза и графита по типу решётки. На самом деле фуллерен — молекулярное вещество (отдельные молекулы $C_{60}$), а алмаз и графит — атомные кристаллы. Все три — простые вещества углерода, но с разными решётками.
• Делают вывод о полярности молекулы только по полярности связи, забывая учесть геометрию. Например, ошибочно считают $CO_2$ полярным веществом, так как связь $C=O$ полярна, не учитывая симметричное линейное строение молекулы.
• Путают ионную и металлическую решётки у соединений металлов: забывают, что простое вещество-металл (например, $Na$, $Cu$) имеет металлическую решётку, а соединение металла с неметаллом (соль, оксид) — ионную.
• Неверно определяют класс органических веществ: иногда предполагают ионную или атомную решётку у органики, тогда как почти все органические соединения (кроме отдельных полимеров) образуют молекулярные кристаллы.
• Путают порядок записи ответа: хотя порядок цифр в ответе не важен, важно не добавить лишнюю третью цифру и не написать только одну.

Как готовиться

1. Составить и выучить наизусть короткий список веществ с атомной (ковалентной) кристаллической решёткой — это единственная группа, которую нельзя определить «по логике», только по памяти: $C$ (алмаз, графит), $Si$, $SiO_2$, $SiC$, $B$, $BN$.
2. Проработать таблицу соответствия «класс вещества → тип решётки → тип связи» и прогонять её на карточках: металлы, простые вещества-неметаллы, соли, щёлочи, оксиды металлов, органика.
3. Повторить пространственное строение частых молекул (линейная, угловая, тетраэдрическая, пирамидальная, треугольная) и научиться быстро определять симметричность на основе наличия неподелённых электронных пар у центрального атома.
4. Решить как можно больше типовых заданий формата «выберите два вещества» из разных источников, каждый раз проговаривая вслух ход рассуждений — это закрепляет алгоритм и ускоряет узнавание.
5. Обращать особое внимание на вещества-«обманки»: $SiO_2$, $C_{60}$, органические кислоты и соли аммония — они чаще всего становятся причиной ошибок из-за нестандартного сочетания состава и типа решётки.
6. Периодически возвращаться к разбору собственных ошибок: если задание решено неверно, важно понять, на каком шаге алгоритма произошёл сбой — в определении класса вещества, типа решётки или геометрии молекулы.