炭素は14族の元素であり、自然界に非常に広く分布しています。 これは、太陽、星、彗星、およびほとんどの惑星の大気中で豊富に見られます。 炭素は大気中の二酸化炭素として存在し、すべての天然水に溶解しています。 それはカルシウム（石灰岩）、マグネシウムおよび鉄の炭酸塩として石の部品です。 火星の大気は非常に薄いですが、そこにあるものには約95％のCO2が含まれています。石炭、石油、天然ガスは主に炭化水素である。

石炭、石油、天然ガスは主に炭化水素である。 炭素は、それが形成することができる様々な化合物の膨大な数の元素の中でユニークです。 無機化学の1/112サブセットである有機化学は、炭素とその化合物の研究です。 ケイ素は関連化合物のホストを形成する際に炭素の代わりになるかもしれないが、現在、ケイ素原子の非常に長い鎖を有する安定な化合物を形成す

炭素は、アモルファス、グラファイト、ダイヤモンドの三つの同素体の形態で自然界に遊離しています。

炭素は、非晶質、グラファイト、ダイヤモンド グラファイトは最も柔らかい既知の材料の一つであり、ダイヤモンドは最も硬い材料の一つである。 炭素は、微視的なダイヤモンドとして、いくつかの隕石で発見されています。 天然ダイヤモンドは、南アフリカで見つかったような古代の火山の”パイプ”で発見されています。 ダイヤモンドはまた、グッドホープ岬沖の海底から回収されます。

ダイヤモンドリング。

最近では、別の形態の炭素、バックミンスターフッラーレン、C60が発見された。 この形態の炭素は、今日の研究室で大きな関心の対象となっています。

純粋な炭素は、多くの異なる形態（同素体）で利用可能である。 純粋な炭素の最も一般的な形態はα-グラファイトである。 これは熱力学的に最も安定な形でもあります。 ダイヤモンドは、炭素の第二の形態であるが、はるかに少ない一般的です。 他の形態の炭素にはフラーレンが含まれる。 ダイヤモンドとグラファイトは無限格子であるのに対し、バックミンスターフッラーレンC60のようなフラーレンは離散的な分子種である。 すすやランプブラックなどの非晶質形態の炭素は、黒鉛の非常に小さな粒子からなる材料である。

ほとんどのグラファイトはα-グラファイトであり、各炭素が141.5pmの距離で他の三つの炭素原子に直接結合する層構造を有する。

ほとんどのグラファイトはα-グラファイトであり、各炭素が141.5pm 結合における非局在化は、C-C距離が通常の炭素-炭素単結合（典型的には154pm）よりも等しく、短いので明らかである。 炭素原子の層間の距離は335.4pmである。 ほとんどのグラファイト（α-グラファイト）では、原子の層はABABABに配置されています。.. 繰り返しファッションが、β型（菱面体）スタッキングはABCABCABCです。.. 炭素-炭素距離および層間間隔はα形と同じままであるが、炭素-炭素距離および層間間隔はα形と同じままである。 Α-グラファイトとα-グラファイトのエンタルピー差は1kJ mol-1(0.59±0.17kJ mol-1)未満である。 グラファイトに対応する重い元素の形態は知られておらず、シリコン、ゲルマニウム、灰色スズの構造はダイヤモンド構造に関連している（後述）。

炭素の最も一般的なアロトロップにおける原子配列：α-グラファイト。

ダイヤモンドはわずかにコンパクトな構造を持っているので、その密度はグラファイトの密度よりも大きい。 ダイヤモンドの外観はよく知られており、それはまた、知られている最も硬い材料の一つです。 グラファイトのように、それは比較的unreactiveですが、600-800°C.で空気で燃えます。 各炭素原子は四面体構造で154.45pmの距離で四つの隣接する原子に結合しているため、各ダイヤモンド結晶は単一の巨大な格子構造である。 原則として（そして実際には！）グラファイトは熱および圧力の適用によってダイヤモンドに変えられるかもしれません。 ダイヤモンドの単位セルはa=356.68pmの立方である。 ほぼすべてのダイヤモンドがこの構造を保有していますが、非常に小さな割合はウルツ鉱に関連する六方晶構造を示し、これらはロンスダレイトと呼ばれています。

ダイヤモンドの結晶構造。

最近、炭素の別の同素体が特徴づけられた。 ダイヤモンドとグラファイトは無限格子であるのに対し、buckminsterfullerene、C60は離散的な分子種である。 バックミンスターフッラーレン分子は、12個の五角形と20個の六角形が球体に折り畳まれたネットである。 この効果は、12個の五角形と20個の六角形の革のパッチワークに非常によく似ています。 Buckminsterfullerene（またはbuckyball）という名前は、C60の構造とR.Buckminster Fullerの測地線ドームの設計との関係のために造語された。 Buckminsterfullereneは現在市販されており、星間空間やすすでも同定されている。

C60、Buckminsterfullerene。

C60やC84などの他のフラーレン（閉じた炭素ケージ）も知られており、商業的に入手可能である。 可能な限り最小のフラーレンは、12個の五角形と全く六角形で構成される十二面体C20である。 ナノチューブはフラーレンに関連している。 それらはグラファイトからなされるが転がされたグラファイトの出現を与える管です。 フラーレンは閉じた構造である間、それらは開放された終わりである。

フラーレンの一つの興味深い特徴は、k@C60として示される内面体構造を作るために、カリウムや他のアルカリ金属などの原子を囲む能力です。

1961年、国際純粋応用化学連合（IUPAC）は原子量の基礎として同位体12Cを採用した。 炭素-14、14Cは、半減期が5730年の同位体であり、木材、考古学的標本などの材料に使用されています。 炭素13、13Cは、放射性ではないが、スピンI=1/2核であり、したがって良好なNMR核であるため、同位体標識研究に特に有用である。