碳原子有极强的化学成键能力，周期表的所有元素中只有碳是能够形成更多价键的原子，也只有碳才是能形成结构数更多的元素。由同种元素组成的纯净物叫做单质，同一种元素组成的不同性质的单质被称之为同素异性(或同素异形)体。随碳原子排列的不同，其组成结构也不一样。仅仅由碳原子却可以组成结构和性质完全不同的深灰色石墨和光彩夺目的金刚石等原子晶体，还可由几十或数百上千个碳原子形成碳60(C60)之类的富勒烯、纳米碳管或石墨烯分子。碳60还能进一步形成分子晶体。只有碳元素才能形成无穷无尽的同素异性体，这又是其独特之处。这些我们在以后都会陆续谈到。尽管各种同素异性体的物理性质极其不同，由于其核电荷数和核外电子层结构相同，所以它们的化学性质全都一样，例如在空气中它们都能像煤炭一样，充分燃烧生成二氧化碳，同时放出大量的热来。

    由于电子、质子和中子都有一定的质量，不同原子的核电荷数不同各种原子的质量也就会不一样。原子的绝对重量极小，难以直接称量，故最早用原子中最轻的氢原子重量为1来测定其它元素的相对原子量，后来又将自然界存在的氧原子的平均原子量等于16.0000作为基准。考虑到碳元素在自然界的丰富程度以及它又有很强与其它元素结合的能力，所以国际上从1961年起为了避免混乱，统一将12C（碳12，其原子质量数，即质子数与中子数之和为12的碳原子）作为基准定为统一原子量的标度，其相对原子量被精确地定为12.0000，所有其它的原子和分子均参照它来确定各自的质量，从而使物理化学数据更为精确。

   人们发现自然界具有相同质子数的原子，有时其中的中子数并不完全相同，于是将有相同质子数但中子数不同的同一元素的几种原子互称为同位素。已发现的天然同位素有300多种。人造同位素更是达1200多种，已发现碳原子的同位素有13种，即从86C（左上8表示原子质量数，左下6表示质子数）至206C，其中126 C（碳12）和136C为稳定同位素，各自的平均相对丰度分别为98.9%和1.108%。其余同位素均为放射线同位素，其中除146C（碳14）的半衰期为 5730年，人们可感到其存在外，其余的同位素由于半衰期很短，如166C仅为0.74秒，176C仅有20毫秒,即0.02秒,所以无太大意义。大气中的碳12和碳14按一定的比例保持不变，即每克碳中仅有百万分之13.56的碳14。利用碳14的半衰期，人们可以估计含碳物质，如树木、骨头和含生物分子的化石的年岁，即所谓碳14监年法，也称为碳年代测定法（carbon dating）。周期表中所列元素的原子量是按各元素所有与天然同位素丰度一致的原子重量所占百分比计算的平均值，所以碳元素的原子量不是12.000而是12.001。

   宇宙万物是由各种基本粒子及近百种元素和其形成的化合物所组成，在这些元素中最为特殊、也是最为神奇的就是碳元素。碳原子能形成无穷无尽的单质和化合物。没有任何元素能像碳元素那样，作为单一的元素却可形成许许多多结构和性质完全不同的物质。各种类型碳单质所具有的性质几乎能包括地球上所有物质的性质，有的甚至是完全对立的性质。例如：最硬(金刚石)-最软(石墨)；绝缘体(金刚石)-半导体(石墨)-良导体(石墨烯)；绝热体(石墨层间)-良导热体(金刚石)；全吸光(石墨)-全透光(金刚石)等等。碳在宇宙进化系统中起重要作用，又是太阳等恒星发光不可或缺的元素，也是地球上各种有机生命的关键组成元素，碳及其化合物和人类息息相关，几乎深入到我们生活的每一个角落，它无处不在，人们无时无刻也不能与之分开，新型碳质材料的研究和开发正日新月异，也正在改变和提升我们的生活质量。碳元素如此重要，如此神奇,那幺它是从哪里来的呢？请看研炭翁说碳(五)：碳从哪里来？