單質碳
碳在周期表里位于第 2 周期Ⅳ A 族 ( 第 14 列 ) ，它有 4 個價電子，電負性中等，它不容易丟失電子成正離子，也不容獲得電子成負離子，而容易形成各式各樣的共價鍵。碳單質有 3 種同素異形體。
金剛石 碳原子的 4 個價電子，按四面體的 4 個頂點方向和其他 4 個碳原子以 C-C 共價鍵結合，形成無限的三維骨架 。兩個碳原子核間距離 ( 即 C-C 鍵長 ) 為 154pm。
金剛石 的三維結構在各個方向都有很高的強度，在天然產物中它的硬度最高，在單質中它的熔點最高，并且不導電。
石墨 每個碳原子都按平面正三角形方向和其他 3 個碳原子以共價鍵結合，形成一個六角形平面層。 C-C 鍵長為 142pm ，在垂直于層的方向上，還有一個價電子以π鍵 ( 見第 3 章 ) 的方式將無數的平面層連結在一起，層間距為 340pm 。層間價電子活動比較自由，石墨的導電性、滑動性都與此結構狀態有關。做鉛筆芯的并不是鉛而是石墨，但鉛筆這個名詞已沿用至今。石墨和金剛石都是碳元素的單質，由于結構不同，性質差別很大，但在一定的條件下，石墨可以變為人造金剛石，但變化條件相當苛刻—— 2000 ℃以上， 1500MPa 。自然界中金剛石儲量不多，而新科技對這樣堅硬的材料需求日益增長，促使人們進行人造金剛石的研究，并隨此發展了高溫高壓技術。
球碳 1985 年以來化學家和物理學家合作，發現了碳的第 3 種單質——球碳 。以石墨棒為電極，在氦氣氛中放電，電弧產生的碳原子團沉積在冷卻反應器內壁，經分離提純得到一種由 60 個 C 原子構成的 C 60 分子。它的形狀很像足球，碳原子位于由 12 個正五邊形和 20 個正六邊形組成的 60 個頂點處，俗稱“足球烯” 。 C 60 的結構，現在已由紅外光譜、電子顯微鏡、 X 射線衍射和電子衍射等多種方法測定。而這種結構的初始設想卻是受到美國建筑學家 Buckminster Fuller 用五邊形和六邊形構成球形薄殼建筑結構的啟發，因此也有 Fullerball( 富勒球 ) 之稱。后來還發現了 C 50 ， C 70 ， C 84 ， C 120 等各種各樣的多面體碳分子，目前對這類物質的研究尚處于開拓階段。它們有可能做催化劑、潤滑劑、超導體等的基質材料。 [ 美 ]Smalley R E ，［美］ Curl R F 和［英］ Kroto H W ，因對開拓這個化學新領域的貢獻榮獲 1996 年諾貝爾化學獎。
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