簡介
碳是一種非金屬元素，位於元素周期表的第二周期IVA族。拉丁語為Carbonium，意為“煤，木炭”。漢字“碳”字由木炭的“炭”字加石字旁構成，從“炭”字音。碳是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在於大氣和地殼之中。碳單質很早就被人認識和利用，碳的一系列化合物——有機物更是生命的根本。碳是生鐵、熟鐵和鋼的成分之一。 碳能在化學上自我結合而形成大量化合物，在生物上和商業上是重要的分子。生物體內大多數分子都含有碳元素。
碳化合物一般從化石燃料中獲得，然後再分離並進一步合成出各種生產生活所需的產品，如乙烯、塑膠等。
碳的存在形式是多種多樣的，有晶態單質碳如金剛石、石墨；有無定形碳如煤；有複雜的有機化合物如動植物等；碳酸鹽如大理石等。 單質碳的物理和化學性質取決於它的晶體結構。高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨晶體結構不同，各有各的外觀、密度、熔點等。
常溫下單質碳的化學性質比較穩定，不溶於水、稀酸、稀鹼和有機溶劑；不同高溫下與氧反應，生成二氧化碳或一氧化碳；在鹵素中只有氟能與單質碳直接反應；在加熱下，單質碳較易被酸氧化；在高溫下，碳還能與許多金屬反應，生成金屬碳化物。
化學符號：C
元素原子量：12.01
質子數：６
原子序數：６
周期：２
族：ＩＶＡ
電子層分布：２－４
原子體積: 4.58 cm3/mol
原子半徑（計算值）：70（67）pm
共價半徑：77 pm
范德華半徑： 170 pm
電子構型 ：1s22s22p2
電子在每能級的排布： 2，4
氧化價（氧化物）： 4，3，2（弱酸性）
顏色和外表：黑色（石墨）， 無色（金剛石）
物質狀態 ：固態
物理屬性： 反磁性
熔點：約為3550 ℃（金剛石）
沸點：約為4827 ℃（升華）
摩爾體積 ：5.29×10-6m3/mol
元素在太陽中的含量：(ppm) 3000
元素在海水中的含量：(ppm) 太平洋表面 23
元素在地殼中含量：（ppm）4800
莫氏硬度：石墨1-2 ，金剛石 10
氧化態： 主要為-4,，C+2， C+4 （還有其他氧化態）
化學鍵能： (kJ /mol) C-H 411 C-C 348 C=C 614 C≡C 839 C=N 615 C≡N 891 C=O 745 C≡O 1074
晶胞參數： a = 246.4 pm b = 246.4 pm c = 671.1 pm α = 90° β = 90° γ = 120°
電離能：(kJ/ mol) M - M+ 1086.2 M+ - M2+ 2352 M2+ - M3+ 4620 M3+ - M4+ 6222 M4+ - M5+ 37827 M5+ - M6+ 47270
單質密度：3.513 g/cm3(金剛石)、2.260 g/cm3(石墨，20 ℃)
電負性：2.55（鮑林標度）
比熱：710 J/(kg·K)
電導率：0.061×10-6/(米歐姆)
熱導率：129 W/(m·K) 第一電離能 1086.5 kJ/mol 第二電離能 2352.6 kJ/mol 第三電離能 4620.5 kJ/mol 第四電離能 6222.7 kJ/mol 第五電離能 37831 kJ/mol 第六電離能 47277.0 kJ/mol
成鍵：碳原子一般是四價的，這就需要4個單電子，但是其基態只有2個單電子，所以成鍵時總是要進行雜化。最常見的雜化方式是sp3雜化，4個價電子被充分利用，平均分布在4個軌道里，屬於等性雜化。這種結構完全對稱，成鍵以後是穩定的σ鍵，而且沒有孤電子對的排斥，非常穩定。金剛石中所有碳原子都是這種以此種雜化方式成鍵。烷烴的碳原子也屬於此類。
根據需要，碳原子也可以進行sp2或sp雜化。這兩種方式出現在成重鍵的情況下，未經雜化的p軌道垂直於雜化軌道，與鄰原子的p軌道成π鍵。烯烴中與雙鍵相連的碳原子為sp 2雜化。 由於sp2雜化可以使原子共面，當出現多個雙鍵時，垂直於分子平面的所有p軌道就有可能互相重疊形成共軛體系。苯是最典型的共軛體系，它已經失去了雙鍵的一些性質。石墨中所有的碳原子都處於一個大的共軛體系中，每一個片層有一個。
[編輯本段]碳的同位素
目前已知的同位素共有十二種，有碳8至碳19，其中碳12和碳13屬穩定型，其餘的均帶放射性，當中碳14的半衰期長達五千多年，其他的均全不足半小時。 在地球的自然界裡，碳12在所有碳的含量占98.93%，碳13則有1.07%。C的原子量取碳12、13兩種同位素豐度加權的平均值，一般計算時取12.01。 碳12是國際單位制中定義摩爾的尺度，以12克碳12中含有的原子數為1摩爾。碳14由於具有較長的半衰期，被廣泛用來測定古物的年代。
[編輯本段]單質碳的形式
最常見的兩種單質是高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨，它們晶體結構和鍵型都不同。金剛石每個碳都是四面體4配位，類似脂肪族化合物；石墨每個碳都是三角形3配位，可以看作無限個苯環稠合起來。
1. 金剛石（diamond）
最為堅固的一種碳結構，其中的碳原子以晶體結構的形式排列，每一個碳原子與另外四個碳原子緊密鍵合，成空間網狀結構，最終形成了一種硬度大、活性差的固體。
金剛石的熔點超過3500℃，相當於某些恆星表面溫度。
主要作用：裝飾品、切割金屬材料等
2.石墨（graphite）
石墨是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細鱗片狀固體。質軟，有滑膩感，具有優良的導電性能。石墨中碳原子以平面層狀結構鍵合在一起，層與層只見鍵合比較脆弱，因此層與層之間容易被滑動而分開。
主要作用：製作鉛筆，電極，電車纜線等
3.富勒烯（fullerene）
1985年由美國德克薩斯州羅斯大學的科學家發現。
富勒烯中的碳原子是以球狀穹頂的結構鍵合在一起。
4.其他碳結構
無定形碳（Amorphous，不是真的異形體,內部結構是石墨）
碳納米管（Carbon nanotube）
六方金剛石（Lonsdaleite，與金剛石有相同的鍵型，但原子以六邊形排列，也被稱為六角金剛石）
趙石墨（Chaoite，石墨與隕石碰撞時產生，具有六邊形圖案的原子排列）
汞黝礦結構（Schwarzite，由於有七邊形的出現，六邊形層被扭曲到“負曲率”鞍形中的假想結構）
纖維碳（Filamentous carbon，小片堆成長鏈而形成的纖維）
碳氣凝膠（Carbon aerogels，密度極小的多孔結構，類似於熟知的矽氣凝膠）
碳納米泡沫（Carbon nanofoam，蛛網狀，有分形結構，密度是碳氣凝膠的百分之一，有鐵磁性）
[編輯本段]碳元素的化合物
碳的化合物中，只有以下化合物屬於無機物：
碳的氧化物、硫化物：一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二硫化碳(CS2)、碳酸鹽、碳酸氫鹽、氰一系列擬鹵素及其擬鹵化物、擬鹵酸鹽：氰(CN)2、氧氰，硫氰。
其它含碳化合物都是有機化合物。由於碳原子形成的鍵都比較穩定，有機化合物中碳的個數、排列以及取代基的種類、位置都具有高度的隨意性，因此造成了有機物數量極其繁多這一現象，目前人類發現的化合物中有機物占絕大多數。
有機物的性質與無機物大不相同，它們一般可燃、不易溶於水，反應機理複雜，現已形成一門獨立的分科——有機化學。 分布 碳存在於自然界中(如以金剛石和石墨形式)，是煤、石油、瀝青、石灰石和其它碳酸鹽以及一切有機化合物的最主要的成分，在地殼中的含量約0.027%。碳是占生物體乾重比例最多的一種元素。碳還以二氧化碳的形式在地球上循環於大氣層與平流層。 在大多數的天體及其大氣層中都存在有碳。
[編輯本段]碳的發現史
金剛石和石墨史前人類就已經知道。
富勒烯則於1985年被發現，此後又發現了一系列排列方式不同的碳單質。
同位素碳14由美國科學家馬丁·卡門和塞繆爾·魯賓於1940年發現。
