碳

单原子碳的存活时间极短，因此碳一般以多原子形态稳定存在，这些碳原子的不同排布方式称为同素异形体。最常见的三种碳同素异形体为无定形碳、石墨及钻石。富勒烯曾经是新发现的奇异物质，但今天已大量生产，受到了科学家的深入研究。富勒烯共包括巴基球、[26][27]碳纳米管、[28]碳纳米芽[29]及碳纳米纤维等。[30][31]其他同素异形体还有：蓝丝黛尔石、[32]玻璃碳、[33]碳纳米泡沫[34]及直链乙炔碳等等。[35]

[（双层）石墨的旋转视图

C₆₀的旋转视图

碳的无定形体是碳原子以非晶体形式不规则排列时形成的玻璃态物质，也就是不具备宏观晶体结构的石墨。无定形碳呈粉末状，是煤炭、煤烟（炭黑）及活性炭的主要成份。在正常压力下，碳以石墨的形式存在，其中每个碳原子都和另外三个碳原子键合，形成平面六边形环平铺结构。[36]这一种网状平面结构能够层叠起来，每层间有弱范德华力。因此石墨性质柔软，也可作润滑剂（因为层与层间能轻易平行滑动）。由于石墨中每个碳原子都有一颗外层离域电子，共同形成遍布整个平面的π-云，所以电能顺着石墨的每个共价键合平面上传导。因此碳的整体电导率低于大部分金属。由于含有离域电子，因此在标准条件下石墨比钻石更加稳定。

碳的一些同素异形体结构：钻石（a）、石墨（b）、蓝丝黛尔石（c）、富勒烯（C₆₀（d）、C₅₄₀（e）、C₇₀（f））无定形碳（g）、碳纳米管（h）

在极高压力下，碳会形成原子排布更紧密的钻石，其密度几乎为石墨的两倍。钻石中的每个碳原子以四面体状与另外四个碳原子键合，形成一个三维密铺网状结构。钻石晶体属立方晶系与硅和锗相同。由于碳－碳共价键非常强，因此钻石是最抗刮损的天然材质。虽然民间有「钻石是永恒的」一说，但实际上钻石在标准环境下并不具备热力学稳定性，而且会转变为石墨。[14]然而由于转变需要较高的活化能，所以该过程极为缓慢，肉眼无法观察。碳在某些情况下会结晶成蓝丝黛尔石。这一形态为六方晶体，所有碳原子间都以共价键键合。因此蓝丝黛尔石与钻石特性相近。[32]

富勒烯的结构与石墨相似，但除了六角碳原子环以外，它还含有五角环和七角环。这些环镶嵌成平面，卷缩成球体、椭球体和圆柱体等形状。各种富勒烯（包括巴基球、碳纳米管和碳纳米芽）的特性仍尚待研究，属于纳米材料科学的范畴。「富勒烯」（Fullerene）和「巴基球」（Buckyball）是以推广网格球顶作为建筑结构的建筑师巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）命名的，而网格球顶与富勒烯的几何结构相似。巴基球是较大的纯碳单质分子，每个碳原子与三个碳原子键合，形成椭球体（最简单的一种为足球形的${\displaystyle {\ce {C60}}}$，亦即巴克敏斯特富勒烯）。[26]碳纳米管则是碳原子六角形密铺平面所卷缩而成的管状（圆柱体）分子。[27][28]2007年，科学家首次宣布发现碳纳米芽，一种巴基球和碳纳米管的混合体（巴基球键合在碳纳米管壁上）。碳纳米芽同时具有巴基球和碳纳米管的属性。[29]

其他同素异形体还有碳纳米泡沫，发现于1997年，具铁磁性。碳纳米泡沫由众多碳原子低密度聚集而成，每个原子与三个碳原子键合，形成由六角或七角环串联而成的松散三维网格。它是已知最轻的固体之一，密度约为2kg/m³。[37]同样，玻璃碳也含有大量的内部气孔。[33]但与普通石墨不同，其每一层并不平行层叠，而是以相对随机的方式排布。直链乙炔碳[35]的化学结构为${\displaystyle {\ce {-(C:::C)n-}}}$[35]。这一分子呈直链型，具有sp混成轨域，是一种在三键和单键之间交替的聚合物。其杨氏模量是世\，因此在纳米科技中有相当的研究空间。[38]

石墨矿石

原始钻石晶体

1990年海面水溶无机碳存量（取自全球海洋数据分析计划）

碳在全宇宙各元素中总质量排列第四，位于氢、氦和氧之后。碳大量存在于彗星、大部分行星大气层、太阳以及其他恒星中。一些陨石含有太阳系还处于原行星盘时所遗留下来的微钻石。陨石撞击时的巨大温度和压力也会在撞击坑处形成微钻石。[39]

碳与氧结合成二氧化碳，大量存在于地球大气中（当中约有8100亿吨碳）并溶解在所有水体中（约有36万亿吨碳）。整个生物圈共含有约1.9万亿吨碳。碳氢化合物（如煤、石油和天然气）同样含有碳：煤矿储备共有约9000亿吨碳，石油储备有约1500亿吨碳，而天然气则有约1050亿吨碳，但仍不包括页岩气等非常规天然气源（含有5400亿吨碳）。[40]碳也封存在地球两极和海底的甲烷水合物中，碳含量估计共有5千亿至2万5千亿吨，[41]另有研究估计含量为3万亿吨。[42]过去的碳氢化合物含量比今天要多。从1751年至2008年有大约3470亿吨碳在化石燃料燃烧过程中以二氧化碳的形式释放到大气层中。[43]

碳酸盐岩石（石灰石、白云石、大理石等等）中含有大量的碳。最大的碳矿石来源是煤，占化石燃料的80%。[44]

若以个别同素异形体计算，则石墨主要位于美国（以纽约州及德克萨斯州为主）、俄罗斯、墨西哥、格陵兰和印度。天然钻石主要出现在古火山的「颈部管道」部分的金伯利岩内。大部分钻石矿藏都位于非洲，其中以南非、纳米比亚、博茨瓦纳、刚果共和国及塞拉里昂居多。其他矿藏地点包括美国阿肯色州、加拿大、俄罗斯北极圈内、巴西以及西澳洲。好望角对出的洋底也有进行钻石的开采。虽然自然界中存在着不少钻石，但是在美国有30%的工业用钻石都是人工合成的。

宇宙射线会在海拔9至15公里的对流层和平流层处产生碳-14。[45]这一反应中，热中子撞击氮-14原子核，形成碳-14原子核及一颗质子。

所有碳同位素的原子都有6颗质子，但中子数各异（从2到16颗不等）。碳有两个自然存在的稳定同位素：[12]碳-12（${\displaystyle {\ce {^12C}}}$）占地球上碳的98.93%，而碳-13（${\displaystyle {\ce {^13C}}}$）则占剩余的1.07%。[12]生物体中${\displaystyle {\ce {^12C}}}$同位素的比率更高，因为生物化学反应会选择性地消除${\displaystyle {\ce {^13C}}}$。[46]1961年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）决定以碳-12同位素作为原子量单位的定义标准。[47]核磁共振所探测的就是${\displaystyle {\ce {^13C}}}$。

碳-14（${\displaystyle {\ce {^14C}}}$）是自然产生的放射性同位素，在地球上的丰度为一万亿分之一（0.0000000001%），主要存在于大气层和地表矿藏中，如泥炭及其他有机物质等。[48]碳-14以0.158 MeV能量进行β⁻衰变。由于半衰期只有5730年，所以该同位素在古老岩石中几乎绝迹，但会在大气高层（低平流层及高对流层）中经宇宙射线和氮间的反应而不断产生。[49]¹⁴C在大气层及生物体中的丰度几乎守恒，但在生物体死亡后有规律地衰减，这就是放射性碳定年法的原理。该定年法可测量年龄在4万年以下的含碳物质。[50][51]

碳有15种已知同位素，其中存活时间最短的是${\displaystyle {\ce {^8C}}}$，它会进行质子发射和α衰变，半衰期为1.98739x10⁻²¹秒。[52]同位素${\displaystyle {\ce {^19C}}}$有核晕效应，即其半径比密度均匀的正常球体原子核高得多。[53]

碳原子核的合成需要在巨星或超巨星内部，通过3颗α粒子（氦原子核）几乎同时互相撞击而形成，称为3氦过程。进一步与氢或氦融合后分别产生的锂-5和铍-8都很不稳定，因此会迅速衰变回较小的原子核。[54]这种情况下的温度达到1亿开尔文，所需的氦浓度极高。大爆炸后的宇宙迅速膨胀、冷却，因此大爆炸没有产生大量的碳元素。赫罗图中的水平分支恒星则具备3氦过程的所需条件，可以大量生成碳。[55]超新星爆炸再将这些恒星内部的碳散布到太空中，这些含碳的尘埃聚合形成第二代、第三代恒星及其行星。太阳系属于第三代恒星系统，因此地球生物所赖以为生的碳元素，最初也是在巨大恒星的内部合成的。[56]另外，通过碳氮氧循环过程，碳作为聚变反应的催化剂，为恒星提供了绝大部分的能量。

亚毫米波天文学能够探测到含不同碳同位素的一氧化碳间的循环转换（${\displaystyle {\ce {^12CO}}}$、${\displaystyle {\ce {^13CO}}}$及${\displaystyle {\ce {C^18O}}}$），这可用于研究分子云中刚刚形成的恒星。[57]

在地球上并不容易发生元素间的转变，因此地球上的碳基本上是守恒的。任何使用到碳的物理及化学过程都必须从一处取得碳，并在过程后转移到另一处。环境中碳所遵循的路径称为碳循环。例如，植物从周围环境中吸取二氧化碳，用以增加自身质量。动物可能会进食一部分植物体，并再以二氧化碳把碳还原到环境中。整个碳循环实际上复杂得多，比如一些二氧化碳会溶解在海洋中，动植物死亡后也会成为石油或煤，再经焚烧把碳还原到大气中。[58][59]

最简单有机化合物甲烷的结构式

碳能够形成串连的${\displaystyle {\ce {C-C}}}$键，形成很长的分子链，这种特性叫做成链。碳－碳键强而稳定。因此，碳可以形成几乎无限种不同的化合物。其实，碳化合物的数量比其他所有元素的化合物加起来还要多（除氢以外，因为大部分碳化合物都含有氢）。

最简单的有机分子是碳氢化合物。这些化合物以一条碳链为主干，并有氢原子键合在碳链上。链长、支链及官能团等都会影响有机化合物的物理及化学特性。

所有生物体中都含有碳，并以碳作为有机化学的基础。碳氢化合物在工业上可用作制冷剂、润滑剂、溶剂、塑料的制造原料、化石燃料等等。

碳与氧和氢结合后，会形成众多必不可少的生物化合物，包括糖、木酯素、甲壳素、醇、脂、酯、类胡萝卜素、萜烯等等。碳与氮结合会形成生物碱，再加上硫后会形成抗生素、氨基酸及橡胶等等。最后加入磷，会形成生命所需的化学编码分子DNA及RNA，以及生物细胞用以传递能量的三磷酸腺苷（ATP）。

矿石中的含碳物质以及不含氢或氟的碳化合物一般不归于有机化合物中，但这种定义并不是绝对的。这些无机化合物包括最简单的各种氧化碳，其中最重要的就是二氧化碳（${\displaystyle {\ce {CO2}}}$）。二氧化碳曾是古大气层的主要成份，但今天则只占地球大气层中的极小一部分。[60]当二氧化碳溶于水后，会形成碳酸（${\displaystyle {\ce {H2CO3}}}$）。但由于有多个氧原子以单键链接到一颗碳原子上，所以它并不稳定。[61]然而通过这一中继状态，因共振而稳定的碳酸盐离子得以形成。一些重要的岩石都含有碳酸盐，如石灰岩、白垩岩和大理石等。

另一常见的碳氧化物是一氧化碳（${\displaystyle {\ce {CO}}}$），一种在不完全燃烧后产生的无色、无味的气体。一氧化碳分子中有一个三键，而且极性非常强，所以会不可逆转地与血红蛋白分子结合，使得亲和力较低的氧无法经血红蛋白传输。[62][63]氰化物（${\displaystyle {\ce {CN-}}}$）的结构相似，但其特性更类似于卤素离子（拟卤素）。例如，氰分子（${\displaystyle {\ce {(CN)2}}}$）与双原子卤素相似。其他较罕见的氧化物包括二氧化三碳（${\displaystyle {\ce {C3O2}}}$）、[64]不稳定的一氧化二碳（${\displaystyle {\ce {C2O}}}$）、[65][66]三氧化碳（${\displaystyle {\ce {CO3}}}$）[67][68]环戊五酮（${\displaystyle {\ce {C5O5}}}$）、[69]环己六酮（${\displaystyle {\ce {C6O6}}}$）[69]和苯六甲酸酐（${\displaystyle {\ce {C12O9}}}$）。

当碳遇到如钨等活性较强的金属时，会形成碳化物（${\displaystyle {\ce {C^4-}}}$）或乙炔化物（${\displaystyle {\ce {C2^2-}}}$），大大提高这些合金的熔点。碳的电负性为2.5，[70]所以会主要形成共价键。碳有几种共价键晶格化合物，如结构与钻石相近的碳化硅（${\displaystyle {\ce {SiC}}}$）。

金属有机化合物是任何具有碳－金属键的化合物。金属有机化合物类别繁多，主要分为烷基金属化合物（如四乙基铅）、η²烯烃化合物（如蔡斯盐）和η³烯丙基化合物（如氯化烯丙基钯二聚物）；含环戊二烯配位体的茂金属（如二茂铁）；以及过渡金属卡宾配合物。金属羰基配合物有很多种，包括四羰基镍等。

大量天然石墨矿藏分布在世界各地，其中主要出产国为中国、印度、巴西和朝鲜。石墨矿石都是变质岩，与石英、片岩中的云母和长石、片麻岩及变质砂岩和石灰岩一同出现，呈透镜状或叶脉状，厚度可达1米多。位于英国坎伯兰博罗戴尔（Borrowdale）的石墨矿藏巨大且纯度高，直到19世纪，人们都直接锯下石墨块，削成条状后包在木条中，作铅笔出售。今天，要从较小的石墨矿中提取石墨，需要把矿石压碎后，用水浮出较轻的石墨。[81]

天然石墨以三种形式出现：无定形态、薄片状或结晶薄片状以及叶脉状或块状。无定形石墨的质量最低，但也最常见，一般被用于生产价值最低的产品。在工业中「无定形」指的是晶体细小，而非科学中所指的完全缺乏晶体结构。无定形石墨大量出现在位于中国、欧洲、墨西哥以及美国的大型矿藏中。薄片状石墨的价值更高，也较少见，通常出现在变质岩中。质量较高的薄片石墨价格可以是无定形石墨的4倍，可制成一膨胀性石墨，用作阻燃剂等。薄片石墨出产于巴西、加拿大、中国、德国和马达加斯加。叶脉状或块状石墨最为罕见，是天然石墨中质量与价格最高的一种。这种石墨整块出现在岩石与岩石之间，目前只有斯里兰卡出产。[81]

根据美国地质调查局的数据，2010年全球石墨产量为1100万吨，其中中国占了80万吨，印度13万吨，巴西7.6万吨，朝鲜3万吨，加拿大2.5万吨。美国没有开采自然石墨，但2009年共生产了11.8万吨合成石墨，估计总值9.98亿美元。[81]

全球的钻石生产由少数大型企业控制，而钻石矿藏也只分布在地球的少数地区。

钻石矿石中只有极小部分是钻石。在最初压碎矿石时须避免损伤大块钻石，压碎后再以密度分开各种粒子。今天，人们利用X射线荧光光谱仪能够预先找到钻石含量较高的部分，接着的分类过程则由人工进行。在X光科技普及之前，人们用涂上油脂的运输带提取钻石。钻石比矿石中其他的矿物更容易粘在油脂上。[82]

历史上只有南印度出产钻石。[83]自公元前9世纪左右至[84]公元18世纪中叶，印度都是世界唯一的钻石产国。18世纪末，印度的矿藏已经衰减了许多，因此巴西1725年发现钻石后，成为了印度以外的首个钻石产地。[85]

1870年代人们发现了南非的钻石矿场，才开始了对主要矿藏（金伯利岩及钾镁煌斑岩）的开采。产量不断提高，截至2007年一共已有45亿卡拉钻石从当地开采出来。[86]钻石在美国主要分布在阿肯色州、科罗拉多州和蒙大拿州。[87][88]

今天经济效益最高的钻石产国有俄罗斯、博茨瓦纳、澳洲及刚果共和国。[89]俄罗斯的钻石产量为全球的五分之一。澳洲拥有钻石含量最高的矿藏，其年产量在1990年代达到4200万吨的顶峰。[87]其他的商业钻石矿场位于加拿大加拿大、俄罗斯西伯利亚（大部分在雅库特地区）、巴西以及澳洲北部和西部。

根据贝恩公司的报告，全球2018年钻石产量为1.47亿克拉，预计2019年产量为1.42亿克拉。[90]

钻石工业可基本分为宝石级和工业级钻石的生产和加工，两种市场的运作方式截然不同。

宝石级钻石交易市场巨大。但与金、铂等贵金属不同，钻石宝石的交易并不像日用品：其利润幅度很高，二手市场也不大。

工业用钻石市场主要注重钻石的硬度和热导率，而几乎忽略钻石的清澈度和颜色。因此开采出来的钻石中，有80%（即1亿卡拉、20吨）无法用作宝石，需要转到工业用途上。[97]1950年人工钻石被发明之后，马上就有了工业用途，年产量共有30亿卡拉（600吨）。[98]钻石在工业中主要被用于切割、钻孔、碾磨和磨光等，一般大小不需要太大。大部分宝石级钻石都可以用在工业上。钻石可以镶嵌在钻头或锯子上，或磨成粉末后进行碾磨和磨光。[99]在专门用途上，钻石可以作高压实验的器材（如钻石对顶砧）、高效轴承以及特殊窗户等。[100][101]在人工钻石生产技术的发展下，更多应用将在未来实现，如作为集成电路中的半导体或电子产品中的散热片等。[102]