單質簡介
碳在地殼中的質量分數為0.027%，在自然界中分布很廣。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然氣、動植物體、石灰石、白雲石、二氧化碳等。
截止1998年底，在全球最大的化學文摘——美國化學文摘上登記的化合物總數為18.8百萬種，其中絕大多數是碳的化合物。
衆所周知，生命的基本單元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架變化而來的。先是一節碳鍊一節碳鍊地接長，演變成為蛋白質和核酸；然後演化出原始的單細胞，又演化出蟲、魚、鳥、獸、猴子、猩猩、直至人類。這三四十億年的生命交響樂，它的主旋律是碳的化學演變。可以說，沒有碳，就沒有生命。碳，是生命世界的棟梁之材。
金剛石
金剛石晶瑩美麗，光彩奪目，是自然界最硬的礦石。在所有物質中，它的硬度最大。測定物質硬度的刻畫法規定，以金剛石的硬度為10來度量其它物質的硬度。例如Cr的硬度為9、Fe為4.5、Pb為1.5、鈉為0.4等。在所有單質中，它的熔點最高，達3823K。
金剛石晶體屬立方晶系，是典型的原子晶體，每個碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。這是金剛石的面心立方晶胞的結構。
由于金剛石晶體中C─C鍵很強，所有價電子都參與了共價鍵的形成，晶體中沒有自由電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點高，而且不導電。
室溫下，金剛石對所有的化學試劑都顯惰性，但在空氣中加熱到1100K左右時能燃燒成CO2。
金剛石俗稱鑽石，除用作裝飾品外，主要用于制造鑽探用的鑽頭和磨削工具，是重要的現代工業原料，價格十分昂貴。
石墨
石墨烏黑柔軟，是世界上最軟的礦石。石墨的密度比金剛石小，熔點比金剛石僅低50K，為3773K。
在石墨晶體中，碳原子以sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成共價單鍵，構成六角平面的網狀結構，這些網狀結構又連成片層結構。層中每個碳原子均剩餘一個未參加sp2雜化的p軌道，其中有一個未成對的p電子，同一層中這種碳原子中的m電子形成一個m中心m電子的大∏鍵(鍵)。這些離域電子可以在整個兒碳原子平面層中活動，所以石墨具有層向的良好導電導熱性質。
石墨的層與層之間是以分子間力結合起來的，因此石墨容易沿着與層平行的方向滑動、裂開。石墨質軟具有潤滑性。
由于石墨層中有自由的電子存在，石墨的化學性質比金剛石稍顯活潑。
由于石墨能導電，有具有化學惰性，耐高溫，易于成型和機械加工，所以石墨被大量用來制作電極、高溫熱電偶、坩埚、電刷、潤滑劑和鉛筆芯。
碳六十
20世紀80年代中期，人們發現了碳元素的第三種同素異形體──C60。我們從以下三個方面介紹C60
1996年10月7日，瑞典皇家科學院決定把1996年諾貝爾化學獎授予Robert FCurl，Jr(美國)、Harold WKroto(英國)和Richard ESmalley(美國)，以表彰他們發現C60。
1995年9月初，在美國得克薩斯州Rice大學的Smalley實驗室裡，Kroto等為了模拟N型紅巨星附近大氣中的碳原子簇的形成過程，進行了石墨的激光氣化實驗。他們從所得的質譜圖中發現存在一系列由偶數個碳原子所形成的分子，其中有一個比其它峰強度大20~25倍的峰，此峰的質量數對應于由60個碳原子所形成的分子。
C60分子是以什麼樣的結構而能穩定呢？層狀的石墨和四面體結構的金剛石是碳的兩種穩定存在形式，當60個碳原子以它們中的任何一種形式排列時，都會存在許多懸鍵，就會非常活潑，就不會顯示出如此穩定的質譜信号。這就說明C60分子具有與石墨和金剛石完全不同的結構。由于受到建築學家Buckminster Fuller用五邊形和六邊形構成的拱形圓頂建築的啟發，Kroto等認為C60是由60個碳原子組成的球形32面體，即由12個五邊形和20個六邊形組成，隻有這樣C60分子才不存在懸鍵。
在C60分子中，每個碳原子以sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子相連，剩餘的未參加雜化的一個p軌道在C60球殼的外圍和内腔形成球面大∏鍵，從而具有芳香性。為了紀念Fuller，他們提出用Buckminsterfullerene來命名C60，後來又将包括C60在内的所有含偶數個碳所形成的分子通稱為Fuller，中譯名為富勒烯
碳六十的制備
用純石墨作電極，在氦氣氛中放電，電弧中産生的煙炱沉積在水冷反應器的内壁上，這種煙炱中存在着C60、C70等碳原子簇的混合物。
用萃取法從煙炱中分離提純富勒烯，将煙炱放入索氏(Soxhlet)提取器中，用甲苯或苯提取，提取液中的主要成分是C60和C70，以及少量C84和C78。再用液相色譜分離法對提取液進行分離，就能得到純淨的C60溶液。C60溶液是紫紅色的，蒸發掉溶劑就能得到深紅色的C60微晶。
碳六十的用途
從C60被發現的短短的十多年以來，富勒烯已經廣泛地影響到物理學、化學、材料學、電子學、生物學、醫藥學各個領域，極大地豐富和提高了科學理論，同時也顯示出有巨大的潛在應用前景。
據報道，對C60分子進行摻雜，使C60分子在其籠内或籠外俘獲其它原子或集團，形成類C60的衍生物。例如C60F60，就是對C60分子充分氟化，給C60球面加上氟原子，把C60球殼中的所有電子“鎖住”，使它們不與其它分子結合，因此C60F60表現出不容易粘在其它物質上，其潤滑性比C60要好，可做超級耐高溫的潤滑劑，被視為“分子滾珠”。再如，把K、Cs、Tl等金屬原子摻進C60分子的籠内，就能使其具有超導性能。用這種材料制成的電機，隻要很少電量就能使轉子不停地轉動。再有C60H60這些相對分子質量很大地碳氫化合物熱值極高，可做火箭的燃料。等等。
無定形碳
如焦炭，木炭，活性炭和炭黑。活性炭疏松多孔，有很強的吸附能力，可作防毒口罩的濾毒層，或作防毒面具的濾毒罐、淨水過濾器；炭黑常溫下非常穩定，故用炭黑墨汁繪的畫和書寫的字經久不變色。
成鍵特征
碳在元素周期表中屬第ⅣA族頭一名元素，位于非金屬性最強的鹵素元素和金屬性最強的堿金屬之間。它的價電子層結構為2s22p2，在化學反應中它既不容易失去電子，也不容易得到電子，難以形成離子鍵，而是形成特有的共價鍵，它的最高共價數顯然為4。
碳原子sp3雜化
碳原子sp2雜化
碳原子sp雜化-1
碳原子sp雜化-2
碳原子sp3雜化
碳原子的sp3雜化可以生成4個σ鍵，形成正四面體構型。例如金剛石、甲烷CH4、四氯化碳CCl4、乙烷C2H6等。
在甲烷分子中，C原子4個sp3雜化軌道與4個H原子生成4個σ共價鍵，分子構型為正四面體結構。
碳原子sp2雜化
碳原子的sp2雜化生成1個σ鍵，2個∏鍵，平面三角形構型。例如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。
在COCl2分子中，C原子以3個sp2雜化軌道分别與2個Cl原子和1個O原子各生成1個σ共價鍵外，它的未參加雜化的那個p軌道中的未成對的p電子O原子中的對稱性相同的1個p軌道上的p電子生成了一個∏共價鍵，所以在C和O原子之間是共價雙鍵，分子構型為平面三角形。
碳原子sp雜化-1
生成2個σ鍵，未雜化軌道生成2個Π鍵，直線形構型。例如CO2、HCN、C2H2等。
在CO2分子中，C原子以2個sp雜化軌道分别與2個O原子生成2個σ共價鍵，它的2個未參加雜化的p軌道上的2個p電子分别與2個O原子的對稱性相同的2個P軌道上的3個p電子形成2個三中心四電子的大∏鍵，所以CO2是2個雙鍵。
在HCN分子中，C原子分别與H和N原子各生成1個σ共價鍵外，還與N原子生成了2個正常的∏共價鍵，所以在HCN分子中是一個單鍵，1個叁鍵。
碳原子sp雜化-2
生成1個σ鍵，1個∏鍵，未雜化軌道生成1個配位∏鍵和1對孤對電子對，直線型構型。例如在CO分子中，C原子與O原子除了生成一個σ共價鍵和1個正常的∏共價鍵外，C原子的未參加雜化的1個空的p軌道可以接受來自O原子的一對孤電子對而形成一個配位∏鍵，所以CO分子中C與O之間是叁鍵，還有1對孤電子對。
碳原子不僅僅可以形成單鍵、雙鍵和叁鍵，碳原子之間還可以形成長長的直鍊、環形鍊、支鍊等等。縱橫交錯，變幻無窮，再配合上氫、氧、硫、磷、和金屬原子，就構成了種類繁多的碳化合物。
碳元素的化合價有-1,-2,-3,-4,0,+1,+2,+3,+4。碳元素位于元素周期表中第二周期、第ⅣA族.可知該元素容易形成共價鍵,且形成化合物的種類繁多.在無機物分子中碳元素為+2+4價，在最簡單的有機物CH4分子中碳元素為-4價，其實碳元素也和其它元素一樣有多種化合價。在不同種有機物中或在同一種有機物中碳元素的化合價都會有所不同，隻因為碳元素有多種化合價，才會使有機物的種類繁多。
