碳的化學
碳（C）是常規能源的主要組成元素，它是化學中最重要的元素之一。含碳的化合物種類最多，它們的結構形式和成鍵方式最豐富。目前已知化合物的種類已超過1000萬種，其中含碳的化合物約占90％。極少數含碳化合物（如CO，CO2，Na2CO3）屬無機化合物，絕大多數的含碳化合物具有難溶於水、熔點低、容易燃燒等特點，這類含碳化合物統稱為有機化合物。由碳和氫兩種元素組成的一大類化合物稱為烴，也叫碳氫化合物（如甲烷CH4，乙烯C2H4，苯C6H6）。以烴為母體，其中氫原子被其他原子或原子團取代，而衍生為其他一係列的有機化合物（如甲醇CH3OH，氯乙烯C2H3Cl，硝基苯C6H5NO2），這些有機化合物統稱為烴的衍生物。碳的化學也就是有機化學。碳的化合物種類如此繁多，千姿百態，但若從碳的單質結構出發進行瀏覽，並從其內在結構看，它們是相當有條有理的。
一、單質碳
碳在周期表裏位於第2周期ⅣA族（第14例），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，按四麵體的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，如圖2－1（a）所示。兩個碳原子核間距離（即C－C鍵長）為154pm（1.54×10-8cm=1.45A0）。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，並且不導電。
石墨每個碳原子都按平麵正三角形方向和其他3個碳原子以共價鍵結合，形成一個六角形平麵層。C－C鍵長為142pm，在垂直於層的方向上，還有一個價電子以π鍵的方式將無數的平麵層連結在一起，層間距為340pm，如圖2－1（b）所示。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。做鉛筆芯的並不是鉛而是石墨，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，由於結構不同，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，並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②。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，碳原子位於由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”，如圖2－1（c）所示。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築學家BuckminsterFuller用五邊形和六邊形構成球形薄殼建築結構的啟發，因此也有Fullerball（富勒球）之稱。後來還發現了C50，C70，C84，C120等各種各樣的多麵體碳分子，目前對這類物質的研究尚處於開拓階段。它們有可能做催化劑、潤滑劑、超導體等的基質材料。[美]SmalleyRE，[美]CurlRF和[英]KrotoHW，因對開拓這個化學新領域的貢獻榮獲1996年諾貝爾化學獎。
二、烴類──碳氫化合物
烴是眾多有機化合物的母體，也是最基本、最簡單的有機化合物。四類基本的烴是：烷烴、烯烴、炔烴和芳烴。
烷烴甲烷（CH4）、丁烷（C4H10）和辛烷（C8H18）是我們日常生活中最常遇到的幾種烷烴，它們分別是天然氣、石油液化氣和汽油的主要成分。燃燒時放熱生成H2O和CO2。最簡單的烷烴是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，它們的化學式、結構簡式和球棍結構式如下圖所示。這類化合物中碳原子按四麵體方向和其他碳原子或氫原以共價單鍵相聯成鏈。由於碳原子的外層4個價電子都已分別成鍵，因此，它們屬飽和烴，其通式為CnH2n-2，在特定條件下可以發生取代反應。