uhlík je prvek skupiny 14 a je v přírodě distribuován velmi široce. Nachází se v hojnosti na slunci, hvězdách, kometách a atmosférách většiny planet. Uhlík je přítomen jako oxid uhličitý v atmosféře a rozpuštěn ve všech přírodních vodách. Je součástí hornin jako uhličitany vápníku (vápence), hořčíku a železa. Atmosféra Marsu je velmi tenká, ale to, co je, obsahuje asi 95 % CO2.

uhlí, ropa a zemní plyn jsou hlavně uhlovodíky. Uhlík je jedinečný mezi prvky v obrovském množství různých sloučenin, které může tvořit. Organická chemie, 1/112. podmnožina anorganické chemie, je studium uhlíku a jeho sloučenin. Zatímco silicon by se mohly na místo uhlíku v tvoří řada příbuzných sloučenin, není možné v současné době tvoří stabilní sloučeniny s velmi dlouhé řetězce atomů křemíku.

uhlík se v přírodě vyskytuje ve třech alotropních formách: amorfní, grafitové a diamantové. Grafit je jedním z nejměkčích známých materiálů, zatímco diamant je jedním z nejtěžších. Uhlík, jako mikroskopické diamanty, se nachází v některých meteoritech. Přírodní diamanty se nacházejí ve starověkých sopečných „trubkách“, jako je tomu v Jižní Africe. Diamanty jsou také získávány z oceánského dna u mysu Dobré naděje.

diamantový prsten.

nedávno byla objevena další forma uhlíku, buckminsterfulleren, C60. Tato forma uhlíku je dnes předmětem velkého zájmu ve výzkumných laboratořích.

čistý uhlík je k dispozici v řadě různých forem (alotropy). Nejběžnější formou čistého uhlíku je α-grafit. Toto je také termodynamicky nejstabilnější forma. Diamant je druhá forma uhlíku, ale je mnohem méně častá. Jiné formy uhlíku zahrnují fullereny. Zatímco diamant a grafit jsou nekonečné mřížky, fullereny, jako je buckminsterfulleren, C60, je diskrétní molekulární druh. Amorfní formy uhlíku, jako jsou saze a lampa, jsou materiály sestávající z velmi malých částic grafitu.

většina grafitu je α-grafit a má strukturu vrstev, ve které je každý uhlík přímo vázán na tři další atomy uhlíku ve vzdálenosti 141,5 pm. Delokalizace ve vazbě je zřejmá, protože vzdálenosti C-C jsou stejné a kratší než normální jednoduché vazby uhlík-uhlík (typicky 154 pm). Vzdálenost mezi vrstvami atomů uhlíku je 335,4 pm. Ve většině grafitu (α-grafit) jsou vrstvy atomů uspořádány v ABABABU… opakujte módu, ale β-forma (kosočtverec) stohování je ABCABCABC… i když vzdálenosti uhlík-uhlík a rozteč mezivrstvy zůstávají stejné jako ve formě α. Rozdíl entalpie mezi α-a α-grafitem je menší než 1 kJ mol-1 (0,59 ± 0,17 kJ mol-1. Formy těžších prvků odpovídajících grafitu nejsou známy a struktury křemíku, Germania a šedého cínu souvisejí s diamantovou strukturou (níže).

atomová uspořádání v nejběžnějších alokacích uhlíku: α-grafit.

protože diamant má o něco kompaktnější strukturu, jeho hustota je větší než hustota grafitu. Vzhled diamantu je dobře známý a je také jedním z nejtvrdších známých materiálů. Stejně jako grafit je relativně nereaktivní, ale hoří na vzduchu při 600-800°C. Každý atom uhlíku je vázán na čtyři sousedy ve vzdálenosti 154,45 pm čtyřstěnným způsobem, a tak každý diamantový krystal je jediná obří mřížová struktura. V zásadě (a v praxi!) grafit může být přeměněn na diamant aplikací tepla a tlaku. Jednotková buňka diamantu je krychlová s = 356,68 pm. Téměř všechny diamanty vlastnit tuto strukturu, ale velmi malé procento vykazují šestiúhelníkovou strukturu týkající se wurtzite a tyto jsou nazývány lonsdaleite.

krystalové struktury diamantu.

nedávno byl charakterizován další allotrope uhlíku. Zatímco diamant a grafit jsou nekonečné mřížky, buckminsterfulleren, C60, je diskrétní molekulární druh. Molekula buckminsterfullerenu je síť 12 pentagonů a 20 šestiúhelníků složených do koule. Účinek je velmi podobný patchwork 12 pětiúhelníkových a 20 šestiúhelníkových kusů kůže, které sešité dohromady tvoří asociační fotbal(fotbalový míč). Název buckminsterfullerene (nebo buckyball byl vytvořen kvůli vztahu mezi strukturou C60 a R. Buckminster Fullerovy geodetické kopule. Buckminsterfullerene je nyní komerčně dostupný a byl také identifikován v mezihvězdném prostoru a sazemi.

C60, Buckminsterfullerene.

Další fullereny (uzavřené uhlíkové klece), jako jsou C60 a C84, jsou také známé a jsou komerčně dostupné. Nejmenší fulleren možný je dodecahedral C20, skládající se z 12 pentagony a žádné šestiúhelníky vůbec. Nanotrubice souvisejí s fullereny. Jsou to trubky, které dávají vzhled válcovaného grafitu, i když jsou vyrobeny z grafitu. Jsou otevřené, zatímco fullereny jsou uzavřené struktury.

Jeden zajímavý rys fullerenů je jejich schopnost přiložit atomů, např. draslík a jiné alkalické kovy, aby se endohedral struktury označeny jako K@C60.

v roce 1961 přijala Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC) izotop 12C jako základ pro atomové hmotnosti. Uhlík-14, 14C, izotop s poločasem 5730 let, se používá k dnešnímu dni takové materiály jako dřevo, archeologické vzorky, atd. Uhlík-13, 13C je zvláště užitečný pro studie izotopového značení, protože není radioaktivní,ale je to jádro spin I = 1/2, a proto dobré jádro NMR.