金刚石极硬(1000kg/mm²)，熔点极高(＞3828K)，是所有单质中熔点最高的。金刚石不导电，化学性质不活泼(常态任何液体对它均无作用，KClO₃和HNO₃对它也无作用)。在空气中加热到1100K左右时能燃烧成CO₂。

   金刚石和石墨在一定条件下，可以互相转化。当金刚石隔绝空气，并加热到1273K时，就可以转化为石墨：
        C（金刚石）（石墨）      △H^θ＝-1.9 kJ/mol
这一放热转变说明热力学上石墨比金刚石稳定，金刚石有自动变为石墨的倾向，不过反应速度极慢，以致金刚石仍稳定地存在。

2：石墨
   石墨主要特点是质软，是电、热的良导体。其密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低50K。

   因石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的，则容易沿着与层平行的方向滑动、裂开，所以石墨具有润滑性，也因此化学性质比金刚石活泼，能被氧化剂、浓HNO₃和KClO₃等氧化成石墨氧化物(黄绿色的片状固体)。
   将石墨制成金刚石需要高温高压条件。现在工业上一般用静态加压法，以Co或Ni（或Ni～Cr－Fe）为催化剂，在 5×10⁶～6×10⁶kPa和1273K的条件下，将石墨转变为金刚石。利用原子弹地下爆炸试验，也可从石墨制得金刚石。

3：C₆₀

   C₆₀是由60个碳原子组成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成，只有这样C₆₀分子才不存在悬键。

   在C₆₀分子中，每个C原子以sp²杂化与相邻的三个C原子相连，剩余的未参与杂化的一个p轨道在C₆₀球壳的外围和内腔形成大π键，从而具有芳香性。

   碳有许多氧化物，已见报导的有CO、CO₂、C₃O₂、C₄O₃、C₅O₂和C₁₂O₉，其中常见的是CO和CO₂。
一: 一氧化碳
（1）CO作配体

    CO作为一种配体，能与一些有空轨道的金属原子或离子形成配合物。例如同VIB、ⅦB和Ⅷ族的过渡金属形成羰基配合物：Fe(CO)₅、Ni(CO)₄和Cr(CO)₆等。
   CO之所以对人体有毒，是因为它能与血液中携带O₂的血红蛋白（Hb）形成稳定的配合物COHb(CO与Hb的亲和力约为O₂与Hb的230～270倍)，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力, 导使人体因缺氧而死亡。
   在工业气体分析中常用亚铜盐的氨水溶液或盐酸溶液来吸收混合气体中的CO，生成CuCl·CO·2H₂O，这种溶液经过处理放出CO,然后重新使用，与合成氨工业中用铜洗液吸收CO为同一道理。
        Cu(NH₃)₂CH₃COO + CO + NH₃ Cu(NH₃)₃^.CO^.CH₃COO
　　　    ^{醋酸二氨合铜(I)　　　　　   醋酸羰基三氨合铜(I)}
（2）为强还原剂
   CO在空气或O₂中燃烧，生成CO₂并放出大量的热。

        CO + 1/2O₂ CO₂    △_rH^θ=284kJ/mol
所以CO和水煤气都是很好的气体燃料, 燃烧时发出蓝色火焰。还原性的另一表现是在高温下可以从许多金属氧化物如Fe₂O₃、CuO或PbO中夺取氧，使金属还原。
   CO还能使一些化合物中的金属离子还原。如：
        CO ＋ PdC1₂ ＋ H₂O CO₂ ＋ Pd↓＋ 2HCl
        CO ＋ 2Ag(NH₃)₂OH 2Ag↓＋(NH₄)₂CO₃ ＋ 2NH₃
这些反应都可以用于检测微量CO的存在。
（3）与其它非金属的作用

这些反应使水煤气成为合成甲醇和某些有机物的原料之一。

   与卤素反应:CO与F₂、Cl₂、Br₂反应可得到碳酰卤化物。如
           CO + Cl₂ COCl₂(碳酰氯）
   碳酸氯又名“光气”，极毒，它是有机合成中的重要中间体。
（4）与碱的作用
   CO显非常微弱的酸性，在473K及1.01×10³kPa压力下能与粉末状的NaOH反应生成甲酸钠：

因此也可以把CO看作是甲酸HCOOH的酸酐。甲酸脱水可以得到CO，

这是实验室利用甲酸或甲酸钠制取CO的反应。

二：二氧化碳

   CO₂在大气中约占0.03%，海洋中约占0.014%。它还存在于火山喷射气和某些泉水中。地面上的CO₂主要来自煤、石油、天然气及其它含碳化合物的燃烧、碳酸钙矿石的分解、动物的呼吸以及发酵过程。地面上的植物和海洋中的浮游生物则将CO₂转变为O₂，一直维持着大气中O₂与CO₂的平衡。但是近几十年来随着全世界工业的高速发展和由此带来的海洋和大气的污染，同时森林又滥遭砍伐，这在很大程度上影响到生态平衡，使大气中的CO₂越来越多，据估计每年约增加百万分之二到四。

   大气中CO₂含量的增多，是造成地球“温室效应”的主要原因。太阳光中绝大部分的紫外光被大气上空的臭氧层所吸收，其余部分的光进入大气。大气中的水气和CO₂不吸收可见光，因此可见光可通过大气层而到达地球表面。与此同时，地球也会向外辐射能量，不过此能量是以红外光而辐射出去。水气和CO₂能吸收红外光，这就使得地球应该失去的那部分能量被储存在大气层内，造成大气温度升高。有人估计，若大气温度升高2到3K，就会使世界气候发生剧变，同时会使地球两极的冰山发生部分融化，从而使海平面升高，甚至造成沿海一些城市被海水淹没的危险。

   CO₂分子没有极性，它很容易被液化，其临界温度为304K，在常温下，施加7.l×10³kPa的压力即能液化。液态CO₂的气化热很高，217K时为25.1kJ· mol^-1。当部分液态CO₂气化时，另一部分CO₂即被冷却成为雪花状的固体。这固体俗称“干冰”，它是分子晶体。从相图（图13-20）可知，它的三相点高于大气压，所以在常压下于195K直接升华为气体，它是工业上广泛使用的致冷剂。

   CO₂不活泼，但在高温下，能与碳或活泼金属镁、钠等反应。
            CO₂ + 2Mg 2MgO + C
            2Na + 2CO₂ Na₂CO₃ + CO
   CO₂是酸性氧化物，它能与碱反应。氮肥厂利用此性质，用氨水吸收CO₂制得NH₄HCO₃。实验室和某些工厂利用此性质用碱除去CO₂，或将排出的废气转变为碳酸盐（酒厂）。

一: 碳酸

   CO₂溶于水中形成碳酸，298K时，1L水中溶1.45g（约0.033mol）。这时碳酸饱和溶液的浓度为0.04mol/L, pH为3.9, 它是二元酸,在水中存在下列平衡:

         H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-    K₁=4.3×10^-7

         HCO₃^- H⁺ + CO₃^2-     K₂=5.6×10^-11

但并非全部溶解的CO₂与H₂O反应都生成H₂CO₃，实际上CO₂首先生成CO₂·6H₂O, 然后约1～4%的CO₂·6H₂O转化为H₂CO₃。在298K时:

所以H₂CO₃的真正K₁值应为2×10^-4,称为H₂CO₃的有效电离常数。因H₂CO₃很不稳定，游离的H₂CO₃迄今尚未制得。

二. 碳酸盐

   下面简介碳酸盐在水中的溶解性、水解性和热稳定性等性质。
（1）溶解性

   所有碳酸氢盐都溶于水。正盐中只有铵盐和碱金属的盐溶于水。迄今为止，只知道碱金属（除锂外）和NH₄⁺离子有固态的酸式盐，它们在水中的溶解度比相应的正盐的溶解度小，这同HCO₃^-离子在它们的晶体中通过氢键结合成链有关。

   由于多数碳酸盐的溶解度小，自然界有许多碳酸盐矿石。大理石、石灰石、方解石以及珍珠、珊瑚、贝壳等的主要成分都是CaCO₃。白云石、菱镁矿含有MgCO₃。地表层中的碳酸盐矿石在CO₂和水的长期侵蚀下可以部分地转变为Ca(HCO₃)₂而溶解。所以天然水中含有Ca(HCO₃)₂，它经过长期的自然分解或人工加热，又析出CaCO₃。
               CaCO₃ + CO₂ + H₂O Ca(HCO₃)₂
这个转化反应能说明自然界中钟乳石和石笋的形成和暂时硬水软化的原理。
（2）水解性

   在金属盐类（碱金属和NH₄⁺盐除外）溶液中加可溶性碳酸盐，产物可能是碳酸盐，或碱式碳酸盐或氢氧化物。究竟是哪种产物，取决于反应物、生成物的性质和反应条件。如果金属离子不水解，将得到碳酸盐。如果金属离子的水解性极强，其氢氧化物的溶度积又小，如Al³⁺、Cr³⁺和Fe³⁺等，将得到氢氧化物。
        2Al³⁺ + 3CO₃^2- + 3H₂O 2Al(OH)₃↓+ 3CO₂↑
有些金属离子如Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺和Mg²⁺等，其氢氧化物和碳酸盐的溶解度相差不多，则可能得到碱式盐。
        2Cu²⁺ + 2CO₃^2- + H₂O Cu₂(OH)₂CO₃↓+ CO₂↑
（3）热稳定性

   许多金属元素的碳酸盐，如CaCO₃、ZnCO₃和PbCO₃加热即分解为金属氧化物和CO₂，而钠、钾、钡的碳酸盐在高温（熔融状态）也观察不到有明显的分解。一般来说，酸式碳酸盐的稳定性均比相应的正盐的稳定性差。碳酸盐受热分解的难易程度与阳离子的极化作用有关。阳离子对CO₃^2-离子产生极化作用，使CO₃^2-不稳定以致于分解。阳离子的极化作用越大，碳酸盐就越不稳定。H⁺（质子）的极化作用超过一般金属离子，所以有下列热稳定性顺序：
         M₂CO₃＞M(HCO₃)₂＞H₂CO₃ （M表示一价金属）

   二硫化碳CS₂为无色有毒的挥发性液体，熔点161.1K，沸点为226.9K，极易挥发，几乎不溶于水，但与乙醇，乙醚，四氯化碳等可以任意比例混溶。CS₂可以用硫蒸气与炽热的煤反应得到。
              C + 2S CS₂

   二硫化碳具有较强的还原性，在空气中很容易着火，遇到强氧化剂则被氧化。这点和二氧化碳有明显的不同。

          CS₂ + 3O₂ CO₂ + 2SO₂

          5CS₂ + 4MnO₄^- + 12H⁺ 5CO₂ + 10S + 4Mn²⁺ + 6H₂O
   CS₂可作为有机物、磷和硫的溶剂，大量地被用于生产粘胶纤维，其次用于制玻璃纸和CCl₄。农业上还用它控制虫害。

   CF₄对热和化学试剂都稳定。CCl₄是四面体形的非极性分子，因分子量大，分子间作用力大，所以在常温下为液体，沸点为350K。由于其分子轨道全被电子填满，所以它不活泼，在常温下不为酸碱所分解，在高温和金属催化剂的作用下才水解。从水解反应自由能变数据看：
      CF₄(g) + 2H₂O(l) CO₂(g) + 4HF(g)   △_rG^θ=-150kJ.mol^-1
      CCl₄(l) + 2H₂O(l) CO₂(g) + 4HCl(g) △_rG^θ=-250kJ.mol^-1
它们都应该水解，而事实上不然。由于碳原子无3d轨道，它的配位数已饱和，不能接受H₂O分子中的孤电子对而与H₂O分子配位，因而不水解。
   碳还有一些混合四卤化物CX_nY_4-n，如灭火剂-1211,CBrClF₂，和冷冻剂氟利昂（Freon）等。氟利昂为烷烃的含氟含氯衍生物的总称。如二氟二氯甲烷CCl₂F₂，其商业名称是氟利昂-12，它的化学性质极不活泼，无毒又不可燃，在243K冷凝为液体，是常用的制冷剂。但正如氧族元素那章中所述，氟里昂对大气上空的臭氧层具有破坏作用。

   碳和电负性较小的元素形成的二元化合物称为碳化物。如CaC₂(俗称电石)、Na₂C₂、WC、SiC等。碳化物有三种类型：离子型、间充型和共价型。它们都可以在2300K时将金属和它的氧化物同碳或一种烃在一起加热来制备。
一：离子型碳化物

   又称为类盐型碳化物，主要由IA、ⅡA、ⅢA中的金属，IB、ⅡB(除汞外)及一些镧系金属和碳组成。金属和碳原子之间不存在典型的离子键，而具有共价倾向。习惯上称为离子型化合物。这类化合物有的易水解，生成碳氢化合物。根据生成碳氢化物的不同可分为炔型和甲烷型。常见炔型的有CaC₂、BaC₂、Mg₂C₃等。水解反应方程式如：
        CaC₂ + 2H₂O Ca(OH)₂ + HC≡CH
        Mg₂C₃ + 4H₂O 2Mg(OH)₂ + CH₃-C≡CH
常见甲烷型的有Al₃C₃、Be₂C等，水解反应方程式如：
        Al₄C₃ + 12H₂O 4Al(OH)₃ + 3CH₄
二：间充型碳化物

   也称为金属型碳化物，主要由重过渡元素如Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W等形成MC形式的碳化物。形成这类化合物的金属原子的半径必须大于130Pm，只有这样，当这些原子紧密堆积时，才有可以接受C原子的空隙。这类碳化物特点是保留金属晶体结构，具有金属光泽和导电性，并比原金属具有更高的熔点(如TaC为4173K，Ta的熔点为3200K)和硬度(如WC的硬度为莫氏硬度9～10)。化学性质惰性，大量用来做耐高温、抗高强度的切削工具。轻过渡元素如CrMn、Fe、Co、Ni，它们的原子半径小于130pm，和碳形成的碳化物性质介于离子型和间充型之间，主要有Fe₃C、Cr₃C₂、Co₃C等。它们能被水和酸分解，生成碳氢化合物和氢气。这些碳化物结构是以碳原子链贯穿在变形的金属结构之中。
三：共价型碳化物

   主要是电负性小的非金属形成的。最重要是碳化硅(SiC)和碳化硼(B₄C)两种。碳化硅俗称金刚砂，其结构和金刚石相似，只是将金刚石中的半数C原子被Si原子替换，并间隔相连结。硬度仅次于金刚石，大约是莫氏硬度9度。主要用作磨料。碳化硼结构更复杂，非常坚硬(有人认为比金刚石还硬)，可用为磨料(可研磨金刚石)和做辐射屏蔽物。