碳的同素异形体是可以分类并结合其原子的不同物理形式。每个实体都对应一个具有自己特殊特征的实体。在分子和结构上它们是彼此区别的。这些同素异形体主要有两种类型：结晶的和非晶的。
结晶同素异形体是原子在空间中具有重复图案的那些。同时，在非晶同素异形体中，原子无序排列，固体中没有两个相同的区域。因此，前者是有秩序的，而后者则是无序的。
碳的主要同素异形体。资料来源：Jozef Sivek
结晶的是钻石（a）和石墨（e）。在上部图像中观察到具有共同方面的不同结构：它们仅由碳原子（黑球）组成。
在无定形同素异形体中，我们有无定形碳（b），可以看出，其结构是无序的。但是，无定形碳有很多类型，因此它是一族固体。
同样，碳原子可以形成超分子，例如富勒烯（c）和纳米管（d）。这些超分子的大小和形状可以变化，但是它们保留相同的几何形状。球形和管状分别用于富勒烯和纳米管。
碳的共价键
在解决一些已知的碳同素异形体之前，有必要回顾一下碳原子如何键合。
根据价键理论，碳在价壳中具有四个电子，它们与它们形成共价键。由于电子的促进和杂交，四个电子可以放置在四个单独的轨道上，无论它们是纯的还是杂化的。
因此，碳最多可以形成四个键。
DC。带有四个CC键的原子达到价八位字节，并且变得非常稳定。但是，这并不是说不能只有三个这样的链接，例如六角形的链接。
六边形
根据碳原子的杂化，可以在它们各自的同素异形体的结构中发现双键或三键。但是，比这些键的存在更为明显的是碳所采用的几何形状。
例如，如果观察到六边形，则意味着碳具有sp 2杂化，因此具有纯p轨道和一个孤电子。您可以在第一张图片中看到完美的六边形吗？包含它们的那些同素异形体暗示它们的碳为sp 2，无论是否存在双键（例如苯环的双键）。
网格，平面或六边形层则由具有电子“屋顶”或“云” 的sp 2碳组成，这是p轨道未成对电子的产物。该电子可以与其他分子形成共价键，或吸引金属离子的正电荷。像K +和Na +一样。
同样，这些电子允许这些壳相互堆叠，而不会发生键合（由于两个p轨道重叠的几何和空间障碍）。这意味着具有六边形几何形状的同素异形体可能会或可能不会被命令建造晶体。
四面体
如果观察到四面体（如上一节所述），则表示碳具有sp 3杂化。在它们中有四个简单的CC键，它们形成一个四面体的晶格。在这种四面体中，没有六边形中的自由电子。
非晶碳
煤块，代表无定形碳。资料来源：Pxhere。
非晶碳可以想象为一种多孔海绵，具有许多任意排列的六边形和四面体网络。他们可以在这种矿物基质中捕获其他元素，这些元素可以压实或膨胀所述海绵；同样，它的结构核可以更大或更小。
因此，取决于碳的％，得到了各种类型的无定形碳；即，无定形碳。例如烟灰，木炭，无烟煤，炭黑，泥炭，焦炭和活性炭。
乍一看，它们看上去都非常相似（上图），渐变为黑色，暗淡或金属和灰色泛音的边缘。
并非所有无定形碳都有相同的来源。顾名思义，植物碳是植物块和木材燃烧的产物。炭黑和焦炭是石油加工过程的不同阶段和条件的产物。
尽管它们看起来并不十分吸引人，并且可以认为它们仅用作燃料，但它们的固体孔隙率却在技术净化应用，吸收剂和物质存储以及催化载体中引起了人们的注意。
政治主义
无定形碳的结构复杂无序。但是，晶体学研究表明它们实际上是四面体（菱形）和六边形（石墨）多型体，任意分层排列。
例如，如果T和H分别是四面体和六边形层，则无定形碳可以在结构上描述为：THTHHTH；或HTHTTHTHHHT等 某些T和H层序列定义了一种无定形碳。但是在它们内部，没有重复的趋势或模式。
因此，在结构上很难表征这些碳同素异形体。取而代之的是，它的％碳是优选的，它是一个有助于其差异，物理性能以及燃烧倾向的变量。
功能组
提到六角形平面具有不成对的电子，通过它可以与其他分子或原子形成键。如果周围的分子是H 2 O和CO 2，则可以预期分别形成OH和COOH基团。它们还可以结合氢原子，形成CH键。
可能性千差万别，但总而言之，无定形碳可以容纳氧化官能团。当存在这些杂原子时，它们不仅位于平面的边缘，而且甚至位于它们的内部。
石墨
石墨六角形层的晶体结构。资料来源：MartinThoma。
上图显示了一个具有球形和石墨晶体结构细线的模型。幸运的是，球体的阴影有助于可视化未配对电子的离域的π云积。在第一部分中提到了这一点，但没有太多细节。
可以将这些π云与两个系统进行比较：苯环的系统和金属晶体中的“电子海”系统。
p轨道相互连接以建立电子自由传播的轨道。但仅在两个六角形层之间；垂直于它们的方向，没有电子或电流流动（电子必须穿过碳原子）。
由于电子不断迁移，因此会不断形成瞬时偶极子，这些偶极子会感应出碳原子上方或下方的其他偶极子。就是说，由于伦敦的分散力，石墨的层或片保持了统一。
可以预期，这些六角形层会形成一个六角形石墨晶体。或更确切地说，是一系列以不同角度连接的小晶体。π云的行为就好像它们是“电黄油”一样，允许层在晶体受到任何外部干扰之前滑动。
物理性质
一旦解决了石墨的分子结构，其物理性质就易于理解。
例如，石墨的熔点非常高（高于4400ºC），这是因为以热量形式提供的能量必须不可逆地分离六边形层，并且还破坏了它们的六边形。
只是说它们的层可以彼此滑过。而且不仅如此，它们还可以最终附着在其他表面上，例如从铅笔的石墨中沉积时构成纸张的纤维素。该特性使石墨可以用作优良的润滑剂。
而且，正如已经提到的，它是电以及热和声的良好导体。
石墨烯
没有双键的石墨烯片。资料来源：Jynto
尽管没有在第一张图片中显示，但是这种碳同素异形体不能被忽略。假设石墨层被抓住并凝结成单张，打开并覆盖大面积。如果以分子方式完成，石墨烯将诞生（上图）。
因此，石墨烯是一个单独的石墨薄片，它不会与其他石墨烯相互作用，并且可以像旗帜一样波动。请注意，它与蜂窝壁相似。
这些石墨烯片保留并增加了石墨的性能。它的六边形很难分离，因此呈现出极强的机械阻力。甚至比钢铁还要高。此外，它们非常轻薄，理论上一克就足以覆盖整个足球场。
如果再次查看顶部图像，可以看到没有双键。当然可能有它们，以及三键（graffin）。石墨烯的化学就是在这里开放的。
像石墨和其他六边形层一样，其他分子也可以共价结合到石墨烯的表面，从而使其结构功能化，可用于电子和生物应用。
碳纳米管
三种类型的碳纳米管。资料来源：Mstroeck通过Wikipedia。
现在，假设我们抓住了石墨烯片，并开始将它们卷成管。这些是碳纳米管。这些管的长度和半径以及其空间构造都是可变的。这些纳米管与石墨烯和富勒烯一起构成了最令人惊奇的碳同素异形体的三元组。
结构构型
上图显示了三个碳纳米管。它们之间有什么区别？这三个都具有六边形的图案壁，并显示出已经讨论过的相同表面特性。答案就在于这些六边形的相对方向。
第一个构型对应于锯齿形（右上角）。如果仔细观察，将意识到其具有完全垂直于管的纵向轴线定位的六边形行。
相反，对于扶手椅型构造（右下角），六边形在与管的纵轴相同的方向上成排布置。在第一纳米管中，六边形从其直径的角度贯穿整个表面，而在第二纳米管中，六边形则从“端到端”沿表面延伸。
最后是手性纳米管（左下角）。与向左或向右走的螺旋形楼梯相比。这种碳纳米管也发生了同样的情况：其六边形从左到右升序排列。由于存在两个空间版本，因此可以说它表现出手性。
富勒烯
C60富勒烯分子。资料来源：Benjah-bmm27。
在富勒烯中，六边形仍然保留着，但是另外，五边形出现了，都带有sp 2碳。床单或层已经被留下：现在，它们已被折叠成类似于足球的球；并根据碳的数量分配给橄榄球。
富勒烯是大小不同的分子。最著名的是C 60（上图）。这些碳同素异形体应视为气球，可以挤在一起形成晶体，其中的离子和其他分子可以被困在它们的空隙中。
这些球是分子的特殊载体或载体。怎么样？通过共价键结合到其表面，尤其是结合到六边形的相邻碳上。据说富勒烯已被官能化（外表面加合物）。
可以战略性地打破其墙壁，以将分子存储在内部。类似于球形胶囊。同样，这些球可能有裂纹并同时功能化。一切都将取决于其预期的应用程序。
钻石的立方晶体结构。来源：GYassineMrabetTalk✉此结构是使用PyMOL创建的。。
最后，在所有碳的同素异形体中最著名的是：钻石（尽管并非全部都是碳）。
在结构上，它由sp 3个碳原子组成，形成四个CC键和一个四面体的三维网络（上图），其晶胞为立方。它是最坚硬的矿物，熔点接近4000ºC。
它们的四面体能够在整个晶格中高效地传递热量；但是用电却不是这样，因为它的电子很好地位于它的四个共价键中，并且它不能流到任何地方。因此，它是良好的热导体，但它是电绝缘体。
根据切面的方式，它可以将光线散射到许多明亮且引人入胜的角度，这就是为什么它们被视作宝石和珠宝。
该网络具有很高的抵抗力，因为移动四面体需要很大的压力。这种性能使它成为具有高机械抗性和硬度的材料，能够像镶有钻石的手术刀一样进行精确，干净的切割。
它们的颜色取决于其晶体学缺陷和杂质。
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