碳在周期表里位于第2周期ⅣA族(第14列)，它有4個價電子，電負(fù)性中等，它不容易丟失電子成正離子，也不容獲得電子成負(fù)離子，而容易形成各式各樣的共價鍵。碳單質(zhì)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(diǎn)方向和其他4個碳原子以C-C共價鍵結(jié)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(1.54×10-8cm=1.45 
)。
金剛石 的三維結(jié)構(gòu)在各個方向都有很高的強(qiáng)度，在天然產(chǎn)物中它的硬度最高，在單質(zhì)中它的熔點(diǎn)最高，并且不導(dǎo)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(jié)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(shù)的平面層連結(jié)在一起，層間距為340pm。層間價電子活動比較自由，石墨的導(dǎo)電性、滑動性都與此結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。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(zhì)，由于結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)差別很大，但在一定的條件下，石墨可以變?yōu)槿嗽旖饎偸�，但變化條件相當(dāng)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(jìn)行人造金剛石的研究，并隨此發(fā)展了高溫高壓技術(shù)。
球碳 1985年以來化學(xué)家和物理學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)了碳的第3種單質(zhì)——球碳。以石墨棒為電極，在氦氣氛中放電，電弧產(chǎn)生的碳原子團(tuán)沉積在冷卻反應(yīng)器內(nèi)壁，經(jīng)分離提純得到一種由60個C原子構(gòu)成的C60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(diǎn)處，俗稱“足球烯”。C60的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)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(jié)構(gòu)的初始設(shè)想?yún)s是受到美國建筑學(xué)家Buckminster Fuller用五邊形和六邊形構(gòu)成球形薄殼建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，因此也有Fullerball(富勒球)之稱。后來還發(fā)現(xiàn)了C50，C70， C84，C120等各種各樣的多面體碳分子，目前對這類物質(zhì)的研究尚處于開拓階段。它們有可能做催化劑、潤滑劑、超導(dǎo)體等的基質(zhì)材料。[美]Smalley R E，［美］Curl R F 和［英］ Kroto H W，因?qū)﹂_拓這個化學(xué)新領(lǐng)域的貢獻(xiàn)榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎。