Carbon, ký hiệu C, có số hiệu nguyên tử 6 và nằm ở nhóm 14, chu kỳ 2. Điểm đặc sắc của nguyên tố này là khả năng tạo những cấu trúc rất khác nhau từ cùng một loại nguyên tử.
Carbon, ký hiệu C, có số hiệu nguyên tử 6 và nằm ở nhóm 14, chu kỳ 2. Điểm đặc sắc của nguyên tố này là khả năng tạo những cấu trúc rất khác nhau từ cùng một loại nguyên tử. Kim cương, graphite và graphene không khác nhau về số proton của carbon, nhưng khác cách các nguyên tử liên kết và tổ chức trong không gian. Vì vậy, thành phần hóa học chưa đủ để mô tả một vật liệu.
Nguyên tử carbon có cấu hình electron 1s22s22p2. Trong mô tả liên kết thông dụng, carbon có thể tham gia các cấu trúc bốn liên kết, liên kết đôi hoặc liên kết ba, tùy hợp chất. Khả năng nối các nguyên tử carbon với nhau tạo mạch, vòng và mạng lưới là cơ sở của sự phong phú trong hóa học hữu cơ.
Tuy nhiên, không phải mọi chất chứa carbon đều được xếp như nhau trong chương trình hóa học. Carbon dioxide, carbonate và một số nhóm chất khác thường được nghiên cứu trong hóa học vô cơ. Cách phân chia hữu cơ và vô cơ phục vụ tổ chức tri thức; nó không phải một ranh giới khiến nguyên tử carbon tuân theo hai hệ định luật vật lý riêng biệt.
Trong kim cương, mỗi nguyên tử carbon liên kết với bốn nguyên tử lân cận trong một mạng không gian ba chiều. Trong graphite, các nguyên tử tổ chức thành lớp, với liên kết trong lớp khác đáng kể tương tác giữa các lớp. Sự khác nhau về kiến trúc liên kết giải thích vì sao hai dạng thù hình có thể thể hiện tính cơ học và tính dẫn điện khác nhau rõ rệt.
Độ cứng không đồng nghĩa độ dai, còn khả năng dẫn điện không được quyết định chỉ bằng màu sắc hay khối lượng riêng. Khi so sánh vật liệu, cần chỉ rõ tính chất đang xét và điều kiện đo. Một mẩu graphite dùng trong điện cực và một màng graphene chế tạo trong phòng nghiên cứu cùng liên quan carbon dạng lớp, nhưng không có mọi thông số kỹ thuật giống nhau.
Carbon có thể xuất hiện trong nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau. Trong carbon dioxide, carbon có số oxi hóa +4; trong methane, giá trị quy ước là −4. Khoảng biến đổi này cho thấy vì sao các hợp chất carbon có thể tham gia những quá trình trao đổi electron quan trọng. Số oxi hóa là công cụ kế toán electron, không phải phép đo trực tiếp điện tích thực trên nguyên tử trong mọi phân tử.
Quá trình đốt nhiên liệu chuyển carbon từ dạng hợp chất ban đầu sang những sản phẩm phụ thuộc điều kiện cháy. Không thể chỉ dựa vào việc có oxygen để kết luận mọi carbon đều tạo carbon dioxide. Mức độ trộn khí, nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng thành phần sản phẩm, đồng thời giải thích sự cần thiết của việc kiểm soát quá trình đốt trong kỹ thuật.
Carbon-12 và carbon-13 là các đồng vị bền; carbon-14 là đồng vị phóng xạ được sử dụng trong định tuổi những mẫu phù hợp. Phương pháp định tuổi không đọc trực tiếp tuổi của mọi vật bất kỳ: nó dựa trên các giả thiết về nguồn carbon, trao đổi với môi trường và lịch sử của mẫu. Việc hiểu phạm vi áp dụng quan trọng không kém việc nhớ tên đồng vị.
Trong công nghiệp, carbon hiện diện trong điện cực graphite, chất hấp phụ, vật liệu composite và những ứng dụng cắt gọt dùng kim cương. Mỗi ứng dụng khai thác một cấu trúc và cơ chế khác nhau. Than hoạt tính hoạt động nhờ đặc trưng bề mặt và hệ lỗ xốp; vật liệu sợi carbon lại được quan tâm về tính cơ học của cấu trúc sợi và nền composite. Không nên quy tất cả về một thuộc tính chung của carbon nguyên chất.
