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碳的同素异形体，是指仅由碳元素组成而结构形态却不相同的单质。同素异形体由于结构不同，物理性质与化学性质上也有差异。目前随着锑际超理学家的不懈努力，人们已经制备出了多种碳单质。其中很大一部分碳单质在许多领域都有着重要应用。
碳单质可大致分为三类：普通碳单质，自由基，全碳有机物。
种类[]
| 名称 | 化学式/表达式 | 微观结构 | 图片 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| ·石墨
Graphite |
C | 多层六边形平面密铺 | 
|
平滑，能导电 |
| ·活性炭
Activated Carbon |
C | 疏松多孔的无定形碳 | 
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可作为催化剂使用，易燃 |
| ·钻石
Diamond |
C | 每个碳原子与周围四个碳原子相连 | 
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透明，导热性强，硬度高 |
| ·石墨烯
Graphene |
C | 单层六边形密铺 | 
|
碳原子以sp2杂化轨道组成
六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 |
| ·石墨炔
Graphdiyne |
C | 单层六边形密铺，有三键 | 
|
sp杂化和sp2杂化的碳原子构成的晶体 |
| ·碳纳米管
Carbon Nanotube |
C | 六边形密铺平面组成的长圆柱体 | 
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管状的碳分子，
管上每个碳原子采取sp2杂化 |
| ·蓝丝黛尔石
Lonsdaleite |
C | 介于石墨和金刚石之间 | 
|
改变石墨构形形成的金刚石，
却又保留了石墨的平行六边形晶格 |
| ·无定形碳
Amorphous carbon |
C | 无定形结构 | 
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包含多种 |
| ·巴明斯特富勒烯（巴氏球）
Buckminsterfullerene |
C60 | 六十个碳原子组成足球形的结构 | 
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球状分子，在有机溶剂中溶解性强于一般碳单质 |
| ·其他富勒烯
Fullerene |
C70，C540
等 |
球形的结构 | 
|
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| ·碳纳米泡沫
Carbon Nanofoam |
C | 每个单位由两层交叉的小型石墨烯组成 | 
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在低温时具磁性
密度极低 |
| ·蜡石
Chaoite |
C | 类似于石墨，层的面积较小 | 
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地球上已知的最软的物质之一 |
| ·聚合钻石纳米棒（超钻石）
Aggregated diamond nanorods |
C | 暂无 | 未知 | |
| ·环十八-1,3,5,7,9,11,13,15,17-九炔
（环18碳，18-轮炔） |
C18 | 
|
碲球条件下能够热力学稳定最小的环[n]碳 | |
| *苯三炔（6-轮炔） ·环己六烯 Cracatene |
C6 | 
|
（碲球人已于2023年成功合成出后者） | |
| *其他环n (0.5n)炔
环n n烯 |
C(3~100) | (目前被合成的最大数值为100） | ||
| 乙㶬和·*双原子碳
Ethune |
C2 | 两个碳原子由碳碳四键连接 | 
|
罕见的气态碳单质 |
| 2-轮炔 | C2 | 由乙炔掰弯而得 | 
|
不稳定，掰弯100秒左右后立即回弹 |
| *五边石墨烯
Penta-graphene |
C | 
|
半衰期250秒，与大多物质发生剧裂加成反应 | |
| 海尔克碳
Haeckelite |
C | 碲球人设想过该物质 | ||
| 准晶体碳 | C | |||
| 正八面体烷 | C6 | 正八面体结构 | 白色粉末 | |
| ·*n (n-1) 烯自由基 | Cx | 极其不稳定 | ||
| ·聚乙㶬（直链乙炔碳）
Polyethune （Linear Acetylenic Carbon） |
(C2)x | 
|
硬度极高 | |
| ·*单原子碳（甲㶬，卡贝） | C4· | 极其不稳定 | ||
| 立方烯 | C8 | 正方体，4个碳碳双键与上下两面相垂直 | ||
| 五碳化合物 | C5 | 类似两个倒置三棱锥形 | 
|
键角非常小，极其不稳定，极易发生内部加成或者开环反应。 |
| 体心立方堆积去氢立方烷（立方碳） | (C8)n | 立方烷之间以共价键相连 |   |
碳碳键键角分别为90°和125°15' |
