В XVII—XVIII вв., в период расцвета теории флогистона, считали, что уголь полностью состоит из этого таинственного вещества: ведь при горении угля почти не образуется твёрдого остатка. И только A. JI. Лавуазье, изучая горение угля на воздухе и в кислоро­де, пришёл к выводу, что уголь — все­го лишь простое вещество. Лавуазье назвал новый элемент Carboneum вме­сто старого латинского названия car-bone pur — «чистый уголь», которым долгое время пользовались химики.

Алмаз является одним из самых твёрдых и тугоплавких (t_пл>4000 °С) веществ. В то же время алмаз хрупок: его довольно легко расколоть на части. Аля этого ювелиры пользуются ножом, по которому ударяют молотком. Немногие знают, что алмаз обладает очень высокой теплопроводностью — проводит тепло лучше, чем многие металлы (в 4 раза лучше Cu). В то же время он не проводит электрический ток. 

Алмаз. При слове «алмаз» сразу же вспоминаются окутанные завесой тай­ны истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотивши­еся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кри­сталлический углерод — тот самый уг­лерод, который образует сажу, ко­поть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжига­нию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигатель­ную машину. Оказалось, алмаз сгора­ет на воздухе при температуре около 700 °С, не оставляя твёрдого остатка, как и обычный уголь. 

В структуре алмаза каждый атом углерода имеет четырёх соседей, ко­торые расположены от него на рав­ных расстояниях в вершинах тет­раэдра (угол С—С—С составляет 109° 28'). Весь кристалл представляет собой единый трёхмерный каркас.

Кристаллические структуры различных модификаций углерода: 

1  — гексагональный алмаз (лонсдейлит); 

2 — кубический алмаз; 

3 — графит.

Часто алмазы имеют тот или иной оттенок (нацвет, как говорят ювелиры). Известны алмазы оранжевого, голубого, розового, жёлтого, коричневого, молочно-белого, синего, зелёного, серого и даже чёрного цвета. Окраска связана как с дефектами в их кристаллической структуре, так и с замещением части атомов углерода на атомы бора, азота и даже алюминия. Серая и чёрная окраска алмазов обусловлена включениями графита. 

С этим связаны многие свойства ал­маза, в частности его самая высокая среди минералов твёрдость. Она-то и дала камню имя, которое происходит от греч. «адамас» — «твёрдый», «непре­клонный», «несокрушимый». 

Кристаллы алмаза, особенно огра­нённые (бриллианты), очень сильно преломляют свет. Этим и обусловле­на знаменитая «игра бриллиантов».

В России ювелирные алмазы вошли в моду в середине XVIII в. Ими украша­ли не только царские диадемы и ски­петры, но также брелки, застёжки, трости, табакерки и даже обувь! Мел­кие алмазы используются для резки стекла и металлов, служат наконечни­ками свёрл, резцов. Алмазный поро­шок издревле применяют для поли­ровки и огранки драгоценных камней.

Графит. В древности графит счита­ли одним из минералов свинца, воз­можно из-за того, что, подобно свин­цу, он оставляет на бумаге след (поэтому из графита делают грифе­ли). В XVIII в. К. В. Шееле доказал, что графит представляет собой «особый минеральный уголь». Родственные отношения между алмазом и графи­том были подробно изучены колле­гой Лавуазье французским химиком Луи Бернаром Гитоном де Морво (1737—1816): при осторожном нагре­вании алмаза без доступа воздуха он получил порошок графита.

Графит — мягкое вещество серого цвета. Атомы углерода связаны в нём в плоские слои, состоящие из соеди­нённых рёбрами шестиугольников, наподобие пчелиных сот. Каждый атом в таком слое имеет трёх соседей, угол между связями С—С—С равен 120°. Для образования трёх ковалентных связей атом предоставляет три электрона, а четвёртый электрон, об­разуя p-связи, делокализован по всему кристаллу. Этим объясняются такие свойства графита, как металлический блеск и электропроводность.

Поскольку электронные облака атомов из соседних плоских слоёв перекрываются, между слоями возни­кают слабые связи, которые рвутся да­же при незначительной нагрузке. Для того чтобы в этом убедиться, доста­точно провести карандашом по лис­ту бумаги: на листе останется след из чешуек графита.

Строение фуллеренов С₆₀, С₇₀, С₇₂. Фуллерен С₇₀ имеет форму сплющенного шара или дыни.

Графин — ещё одна аллотропная модификация углерода. В конце XX в. учёные разрабатывают пути синтеза графинов — веществ со слоистой структурой, аналогичной графиту. Каждый слой графина состоит

Растворы С₆₀ (слева) и С₇₀ (справа) в толуоле и кристаллы С₆₀. Фуллерены хорошо растворимы в органических растворителях — бензоле, толуоле, четрёххлористом углероде. Это свойство используют для отделения фуллеренов от сажи. 

В отсутствие кислорода графит и алмаз выдерживают нагревание до высоких температур: эти вещества переходят в газовую фазу в виде мо­лекул С_n (1<n<10) лишь при 3000 °С. Поэтому графит используют как теплозащитный материал для го­ловных частей ракет.

Карбин.

сажи, бурого и каменного угля) лежит разупорядоченная структура графита. Однако в 60-х гг. XX в. в природном графите были обнаружены белые кристаллы карбина — ещё одной ал­лотропной модификации.

Это вещество состоит из цепей, образованных атомами углерода. Из­вестно несколько форм карбина, раз­личающихся строением цепи, напри­мер —CºС—CºС— и =С=С=С=С=. Учёные установили, что карбин обра­зуется при возгонке графита при тем­пературе 2000 °С и низком давлении.

Фуллерены. И алмаз, и графит, и карбин имеют немолекулярное стро­ение, т. е. состоят из каркасов, сеток или цепей атомов углерода.

В 1996 г. трое учёных — Гарольд Крото (Великобритания), Роберт Керл и Ричард Смелли (США) — бы­ли удостоены Нобелевской премии в области химии за открытие в 1985 г. молекулярной формы углерода  — фуллерена. К фуллеренам относят вещества с чётным числом атомов углерода в молекуле: С₆₀, С₇₀, С₇₂, С₇₄, С_7б,..., C₁₀₈,.., С₉₆₀,.., C₁₀₂₀ и др. Эти за­мечательные молекулы составлены из атомов углерода, объединённых в пяти- и шестиугольники с общими рёбрами. Название своё они получи­ли по фамилии американского архи­тектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, который построил на выставке в Монреале в 1967 г. па­вильон США, используя конструк­цию из сочленённых пяти- и шести­угольников.

В 1990 г. было изучено строение простейшего фуллерена, содержаще­го 60 атомов углерода. Это бакминстерфуллерен. Молекула С_б0 напоми­нает футбольный мяч: она состоит из 12 пятиугольников и 20 шестиуголь­ников. Такой многогранник имеет высокую симметрию, близкую к сфе­рической. Каждый атом углерода в молекуле С_б0, как и в графите, связан с тремя другими атомами. В первых опытах фуллерены получали испаре­нием графита в атмосфере гелия под действием мощного лазерного им­пульса. Позднее обнаружили, что фуллерены образуются при пропускании гелия через электрическую дугу меж­ду графитовыми электродами. В осе­дающей на стенках реактора саже со­держится до 15% фуллеренов. Фуллерены представляют собой кристаллические вещества чёрного цвета с металлическим блеском, обла­дающие свойствами полупроводни­ков. При давлении порядка 2•10⁵ атм и комнатной температуре бакминстерфуллерен превращается в алмаз. При температуре около 800 °С фуллерен С₆₀ возгоняется, молекулы С₆₀ присутствуют в газовой фазе вплоть до температуры 1800 °С.

В 1992 г. фуллерены обнаружены в природе — в минерале шунгите (аморфном углероде), названном в честь посёлка Шуньга в Карелии. Не­удивительно, что долгое время при­месь фуллерена в шунгите не замеча­ли: его там лишь около 0,001%.

Химия углерода. Углерод (в форме графита) легко вступает в химические реакции. Он взаимодействует с кис­лородом, серой и фтором, однако инертен по отношению к остальным галогенам, азоту, фосфору. В реакции с серой (при 650 °С) образуется серо­углерод CS₂ — легколетучая ядовитая жидкость, используемая в качестве растворителя.

Сплавлением сажи с активными металлами получают карбиды. Их строение и свойства зависят от при­роды металла. Так, карбиды магния, алюминия  и  щёлочноземельных Карбиды переходных металлов (например, Fe₃C) инертны по отношению к воде,  растворам кислот и щелочей. Переходные ме­таллы IV, V и VI групп пери­одической системы образу­ют карбиды состава МС (TiC, NbC). Они представля­ют собой необычайно твёр­дые вещества с металличе­ским блеском и часто с металлической проводи­мостью. Эти соединения имеют рекордно высокие температуры плавления: 3000-4000 °С. Они являют­ся компонентами жаро­прочных сплавов и специ­альных сортов керамики.

металлов легко разлагаются водой. При гидролизе карбидов алюминия и бериллия образуется метан:

Ве₂С+4Н₂О=2Be(OH)₂¯+СН₄­ Al₄С₃+12Н₂О = 4Al(OH)₃¯+3СН₄­,

при гидролизе карбида магния Mg₂C₃ — смесь двух изомеров: метилацетилена СН₃—ОºСН и аллена СН₂=C=СН₂:

Mg₂C₃+4Н₂О=2Mg(OH)₂¯+С₃Н₄­, а при гидролизе карбидов щёлочно­земельных металлов — ацетилен:

СаС₂+2Н₂О=Са(ОН)₂¯+С₂Н₂­.

Последняя реакция используется на стройках для получения ацетиле­на, необходимого при сварочных работах. В промышленности серый порошок карбида кальция получают, прокаливая известь с углём: СаСО₃+4С=СаС₂+3СО. Карбид кальция — ионное соединение (Са²⁺С^2-₂) с высокой температурой плавления (2160 °С)