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(1.54×10^-8cm=1.45 )。

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個頂點處，俗稱“足球烯”。C₆₀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C₅₀，C₇₀， C₈₄，C₁₂₀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。