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。
眾所周知，生命的 基本單元 胺基酸、核苷酸是以碳 元素做骨架變化而來的。先是一節碳鏈一節碳鏈地接長，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，它的主鏇律是碳的 化學演變。可以說，沒有碳，就沒有生命。碳，是生命世界的棟樑之材。
純淨的、 單質狀態的碳有三種，它們是 金剛石、石墨、C60。它們是碳的三種 同素異形體。
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。
由於 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，主要用於製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，因此石墨容易沿著與層平行的方向滑動、裂開。石墨質軟具有潤滑性。
由於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。
由於 石墨能導電，有具有化學 惰性，耐高溫，易於成型和機械加工，所以石墨被大量用來製作 電極、高溫熱電偶、坩堝、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 德克薩斯州Rice大學的Smalley實驗室里，Kroto等為了模擬N型紅巨星附近 大氣中的 碳原子簇的形成過程，進行了 石墨的雷射氣化實驗。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，此峰的質量數對應於由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號。這就說明C60分子具有與 石墨和 金剛石完全不同的結構。由於受到建築學家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，只有這樣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球殼的外圍和內腔形成 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，後來又將包括C60在內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
碳六十的製備
用純 石墨作 電極，在氦氣氛中放電，電弧中產生的 煙炱沉積在水冷反應器的內壁上，這種煙炱中存在著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，將煙炱放入索氏(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套用前景。
據報導，對C60分子進行摻雜，使C60分子在其籠內或籠外俘獲其它 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分子的籠內，就能使其具有超導性能。用這種材料製成的電機，只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。 活性炭疏鬆多孔，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。
成鍵特徵
碳在 元素周期表中屬第ⅣA族頭一名元素，位於 非金屬性最強的鹵素元素和金屬性最強的鹼金屬之間。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雜化軌道分別與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 雜化軌道分別與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電子分別與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 原子分別與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個叄鍵。
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之間是叄鍵，還有1對孤電子對。
碳原子不僅僅可以形成 單鍵、 雙鍵和叄鍵，碳原子之間還可以形成長長的直鏈、環形鏈、支鏈等等。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。
