碳最重要的同素异形体是金刚石、石墨和碳簇。

1)焦炭、碳黑和活性炭

焦炭主要由烟煤在隔绝空气的条件下高温炭化得到，其石墨化程度差，主要用于冶金工业，如高炉炼钢。

碳黑粉末由烃或天然气不完全燃烧制得，主要用于橡胶工业以及墨水、油漆、纸张等的颜料。

活性炭是由锯屑等经过处理和活化得到，其比表面积非常大，广泛用于蔗糖工业做脱色剂以及化学制品的纯化、空气净化、废水处理、化学反应的催化剂等。

2)碳的同素异形体

金刚石俗称钻石，是硬度最大(莫氏硬度为10)、熔点最高的单质。金刚石具有三维结构，如图13-1(a)所示。C原子均采取sp3杂化，且同邻近的4个C原子形成σ键。由于所有价电子都形成了σ键，所以金刚石不导电。

天然金刚石嵌在碱性岩石中，已发现的最大天然金刚石重达621.2g，人工合成最大的金刚石约1克拉(1克拉为0.200g)。结晶完美的金刚石有耀眼的光泽、晶莹透明，光折射指数大，若其颗粒较大则成为珍贵的宝石。大多数天然或人造金刚石只是工业级的而非宝石级的，主要用于做磨料、钻头、抛光材料等。

石墨具有层状结构，如图13-1(b)所示，硬度小，熔点也极高；石墨中的C原子均采取sp²杂化，且同邻近的3个C原子形成σ键。每个C原子中未参与杂化的有单电子的p轨道彼此重叠，形成了层内离域π键Ⅱnn，因此石墨层内可导电。层与层之间以分子间的作用力结合，平行排列。

石墨在世界各地分布广泛，但大部分没有经济价值，大量的石墨晶体碎片沉积在硅酸盐岩石中。人工合成石墨可由SiO₂与C制备的SiC在2500℃高温分解得到：

SiC=Si(g)+C(石墨)

1985年首次合成C₆₀，这是碳簇(由三个或三个以上有限原子直接键合组成的多面体或缺顶点多面体骨架为特征的分子或离子称为原子簇)中最重要的分子，其结构见图13-1(c)。在C₆₀中，60个C原子形成了足球形状的三十二面体(由12个五边形和20个六边形组成)，C原子均采取sp²杂化，与相邻的3个C原子形成。键。C₆₀分子中存在离域π键Ⅱ₆₀⁶⁰。C₆₀的结构可以看成正二十面体截去12个顶角后形成12个五边形、20个六边形得到的，故称截角二十面体。二十面体的结构见图13-1(d)。

图13-1 碳的同素异形体的结构

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文章来源：《无机化学核心教程（第二版）》

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