碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。拉丁语为Carbonium，意为“煤，木炭”。碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内绝大多数分子都含有碳元素，碳既以游离元素存在（金刚石、石墨等），又以化合物形式存在（主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐）。它以二氧化碳的形式存在，是大气中少量但极其重要的组分。预计碳在地壳岩石中的总丰度变化范围相当大。
金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩（火山筒），它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中，称为“蓝土”或“含钻石的火成岩”，1870年在南非的吉姆伯利城，首次发现这样的火山筒。[10]随着地质年代的变迁，借火山筒的风化腐蚀，在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。形成金刚石结晶的原始模式当代仍然是积极研究的课题。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低，数量级为500万分之一，矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过，金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因，在地面条件下，一种元素从一处到另一处是很罕见的。因此，地球上的碳含量是一个有效常数。碳在自然界中的流动构成了碳循环。例如，植物从环境中吸收二氧化碳用来储存生物质能，如碳呼吸和卡尔文循环（一种碳固定的过程）。一些生物质能通过捕食而转移，而一些碳以二氧化碳的形式被动物呼出。碳循环的结构要比右图的模式图复杂得多。例如，一些二氧化碳会溶解在海洋中，死去的植物或动物的遗骸可能会形成煤、石油和天然气，这些可以通过燃烧释放碳，而细菌不能利用得到。
同素异形体
金刚石碳
一些碳的同素异形体
一些碳的同素异形体
以无烟煤（一种煤炭类型），石墨和钻石的形式天然的存在，历史上更容易得到的是煤灰或木炭。最终这些不同的材料被认为是由相同的元素形成的。不惊奇的是，钻石是最难确认的。来自佛罗伦萨（意大利）的博物学者GiuseppeAverani和医学工作者CiprianoTargioni首先发现了钻石是可以被加热摧毁的。在1694年他们使用一个大型放大镜聚集阳光到钻石上，宝石最终消失了。Pierre-JosephMacquer和GodefroydeVilletaneuse在1771年重复了这个实验。之后，在1796年，英国化学家SmithsonTennant展示其燃烧后生成的仅仅是CO2而最终证明了钻石只是碳的一种形式。（结构如图a）
金刚石是最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合，成空间网状结构，最终形成了一种硬度大、活性差的固体。金刚石的熔沸点高，熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。在金刚石分子中，每一个碳原子都被另外四个碳原子包围着，这些碳原子以很强的结合力连接在一起，形成了一个巨大的分子，因此金刚石很坚硬。金刚石是绝缘体。用途是作装饰品，钻头材料等。
石墨石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨属于混合型晶体，既有原子晶体的性质又有分子晶体的性质。质软，有滑腻感，具有优良的导电性能。熔沸点高。石墨分子中每一个碳原子只与其他三个碳原子以较强的力结合，形成了一种层状的结构，而层与层之间的结合力较小，因此石墨可以作为润滑剂。用途是制作铅笔，电极，电车缆线等。（结构如图b）
足球烯1985年由美国德克萨斯州罗斯大学的科学家发现。一个C60分子中有60个C原子，构成32个面，20个正六边形，12个正五边形。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。（结构如图d,e,f）属于分子晶体，熔沸点低，硬度小，绝缘。
蓝丝黛尔石（Lonsdaleite，与金刚石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金刚石）（结构如图c）
蜡石（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）
汞黝矿结构（Schwarzite，由于有七边形的出现，六边形层被扭曲到“负曲率”鞍形中的假想结构）碳纤维（Filamentouscarbon，小片堆成长链而形成的纤维）
碳气凝胶（Carbonaerogels，密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）
碳纳米泡沫（Carbonnanofoam，蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）[9]
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
其他结构无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨）（结构如图g）
化学性质编辑
单质
元素性质数据
元素性质数据
在氧气中燃烧
剧烈放热，发出刺眼白光，产生无色无味能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体
化学方程式：
C+O2==点燃==CO2（化合反应）
在空气中燃烧
放热，持续红热，产生无色无臭能使氢氧化钙溶液（澄清石灰水）变浑浊的气体CO2；当燃烧不充分，即氧气量不足时，产生一氧化碳：
氧气充足时化学方程式：
C+O2==点燃==CO2（化合反应）
氧气不足时化学方程式：
2C+O2==点燃==2CO（化合反应）
作为还原剂
碳作为还原剂拥有和氢气、一氧化碳相似的化学性质（但生成物不同），都可以从金属氧化物中还原出金属单质。
碳还原氧化铜：
C+2CuO==高温==2Cu+CO2↑（置换反应）
碳还原氧化铁：
3C+2Fe2O3==高温==4Fe+3CO2↑(置换反应)
碳还原二氧化碳：
C+CO2==高温==2CO（化合反应）
但是，碳在密封空间与高锰酸钾共热，高锰酸钾会分解出氧气，碳会迅速氧化，会发生爆炸。
与强氧化性酸反应：
C+2H2SO4(浓）==加热==CO2↑+2SO2↑+2H2O
C+4HNO3（浓）==加热==CO2↑4NO2↑+2H2O
稳定性
碳在“常温”下具有稳定性，不易反应，故古代名画现代能保存，书写档案要用碳素墨水[9]
化合物
碳的化合物中，只有以下化合物属于无机物：碳的氧化物、碳化物、碳的硫属化合物、二硫化碳(CS2)、碳酸盐、碳酸氢盐、氰及一系列拟卤素及其拟卤化物、拟卤酸盐，如氰[(CN)2]、氧氰[(OCN)2]，硫氰[(SCN)2]，其它含碳化合物都是有机化合物。
由于碳原子形成的键都比较稳定，有机化合物中碳的个数、排列以及取代基的种类、位置都具有高度的随意性，因此造成了有机物数量极其繁多这一现象，现代人类发现的化合物中有机物占绝大多数。有机物的性质与无机物大不相同，它们一般可燃、不易溶于水，反应机理复杂，已形成一门独立的分科——有机化学。[11]
制取方法编辑
金刚石
2005年全球钻石产量
2005年全球钻石产量
金刚石供应链被有权利的贸易集团控制在有限数量上，并且高度集中在世界上很小的区域内。（如右图）只有非常少量的矿藏有实际价值。在将矿石粉碎期间必须采取护理措施防止在此过程中金刚石遭到破损，并随后将金刚石按照密度顺序排序。在当今借助X射线将钻石按照富集密度分级之前，过程中最后的分拣步骤都是靠手工完成的。在借助X射线操作成为了家常便饭之前，分离是通过涂有油膏的皮带完成的，钻石比其他矿物更有粘附能力。[14]
石墨
有商业价值的石墨沉积在世界各地都有，但最重要的经济来源是在中国、印度、巴西和朝鲜。在Borrowdale,Cumberland,England的石墨沉积是首先达到了足够的大小和纯度，在19世纪前，铅笔通过简单地用木条将天然石墨锯条包裹而成。二十一世纪后，小的石墨沉积通过粉碎母岩并使轻质的石墨浮出水面获得
应用领域编辑
碳对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的，没有它，生命不可能存在。
除食物和木材以外的碳的主要经济利用是烃（最明显的是石油和天然气）的形式。原油由石化行业在炼油厂通过分馏过程来生产其他商品，包括汽油和煤油。
纤维素是一种天然的含碳的聚合物，从棉、麻、亚麻等植物中获取。纤维素在植物中的主要作用的维持植物本身的结构。来源于动物的具有商业价值的聚合物包括羊毛、羊绒、丝绸等都是碳的聚合物，通常还包括规则排列在聚合物主链的氮原子和氧原子。
碳及其化合物多种多样。碳还能与铁形成合金，最常见的是碳素钢；石墨和黏土混合可以制用于书写和绘画的铅笔芯，石墨还能作为润滑剂和颜料，作为玻璃制造的成型材料，用于电极和电镀、电铸，电动马达的电刷，也是核反应堆中的中子减速材料；焦炭可以用于烧烤、绘图材料和炼铁工业；宝石级金刚石可作为首饰，工业用金刚石用于钻孔、切割和抛光，以及加工石头和金属的工具。
