地球上沒有任何元素能象碳那樣。由單一元素組成，形成外觀多變，性能各異，套用廣泛的製品。它之所以能夠如此，與其原子鍵合方式、分子結構類型及其集合形態的多樣性密切相關。碳元素基態電子層結構為1S22S22P2。根據原子結構理論，碳原子的外層電子可通過sp3·sp2·sp三種雜化方式形成δ鍵和π鍵。當碳原子外層電子以sp3雜化時，就構成了具有立體結構的金剛石；當以sp2雜化時，就構成了平面結構的石墨，當以sp雜比時，就生成線狀結構的炭——卡賓。1985年科學家們又發現了一種籠形結構的碳，即由60個碳原子組成的高質量數碳族分子——固體CB60，即足球烯。
簡介
石墨晶體具有六角平面網狀結構，可分為天然石墨和人造石墨兩種。前者多呈鱗狀，由石墨礦中提選出來。六角平面內三個sp2雜化軌道互成120°角排列。與相鄰碳原子生成共價鍵。剩餘的一個2P電子在垂直於六角平面的方向上排列，網面上下方的π電子相互重合，形成范德華鍵。石墨晶體的層間疊合方式通常為ABAB型或ABCABC型。如圖1所示。天然石墨多為第一種方式；人造石墨多為第二種方式。單晶石墨的理想晶體結構有六方晶系和三方（菱面體）晶系兩種。對於六方晶系的晶胞，其晶格常數a0=2.461埃、C0=6.708埃。晶胞內有4個碳原子，由此可計算出理想石墨的密度為2.266。人們從結晶程度非常高的天然鱗片石墨中可篩選出單晶石墨，但尺寸很小。
石墨的性能
石墨的獨特構造使其具有特殊的性能，套用十分廣泛，在工業上主要套用以下幾種性能：
（1）潤滑性。由於石墨材料層間結合力很小，當其與金屬摩擦時，在金屬表面極易形成石墨薄膜，可以起到減摩作用。對於表面拋光的鋼，高強石墨在常溫、大氣中的動摩擦係數約為0.35。因此，石墨常被作為潤滑劑、製造石墨軸承、模鍛石墨乳等。
（2）熱膨脹性小。一般在20℃～200℃之間，擠壓成型的石墨製品，沿擠壓方向的熱膨脹係數為（1～2）×10-6/℃，垂直於擠壓方向為（2～3）×10-6/℃。膨脹石墨板的熱膨脹係數較大，如沿面方向為5×10-6/℃，沿厚度方向為100×10-6/℃。石墨製品具有較高的抗熱震性，如電爐煉鋼用的石墨電極要承受急冷、急熱作用，等等。
（3）良好的導熱、導電性。一般沿晶體層面方向的傳導性比垂直於層面方向的大得多。但石墨的導熱率和電阻均受溫度影響，如電阻係數在700K～900K以下為負值，900K以上為正值，導熱率在某一溫度達到最大值，其餘均會下降。正由於其各向異性的良導熱、導電性，才使石墨大量用作耐火材料、隔熱材料和石墨電極。
（4）廣泛溫區內的可使用性。石墨的熔點為38.50℃，沸點達4250℃，因此它在空氣中可用到-200~450℃，在真空或還原性氣氛中可用到-200～3000℃。石墨的強度和硬度隨溫度的升高不是降低而是升高。（5）化學性能穩定且無毒性。石墨對人體無毒。它在400℃時開始發生氧化，700℃以上可與水蒸汽反應。900℃以上可與CO2反應，1000℃以上才與氫反應。除王水、鉻酸、濃硫酸及硝酸外，可抵抗各種酸、鹼和有機溶劑的侵蝕。在高溫下，石墨可與許多金屬或非金屬或它們的氧化物發生反應。由於石墨的耐輻照性和熱中子截面小，使它成為核反應堆中唯一可供選擇的慢化材料。
（6）其他特性。石墨具有可塗敷性、質輕、可塑性大、易加工成形等特點，它還是一種重要碳源，可提供各種材料中所需的純度較高的碳。
石墨脆性
石墨在室溫下基本屬於脆性材料，在1700℃以上開始產生蠕變，且蠕變數很小，因此在現代科技和工業中，它常被用在極高溫條件下。
