Carbon (fra "kul"), kulstof eller karbon er et grundstof med atomnummer 6 i det periodiske system med symbolet C. I det periodiske system er carbon det første (i række 2) af seks grundstoffer i gruppe 14, som har sammensætningen af deres ydre elektronskal til fælles. Det er ikke-metallisk og tetravalent — hvilket vil sige, at det gør fire elektroner tilgængelige til at danne kovalente kemiske bindinger. Tre isotoper findes naturligt: C og C er stabile, mens C er radioaktiv med en halveringstid på omkring 5.730 år. Carbon er et af meget få grundstoffer, der har været kendt siden oldtiden.
Carbon er det femtende mest forekommende grundstof i Jordens skorpe og det fjerde mest forekommende grundstof i universet (sorteret efter masse) efter hydrogen, helium og oxygen. Den enorme mængde carbon, dets unikke mangfoldighed af organiske forbindelser og dets usædvanlige evne til at danne polymerer ved temperaturer, der normalt ses på Jorden, gør, at dette grundstof indgår i alle kendte livsformer. Målt på masseprocent er carbon det næstmest forekommende grundstof i menneskekroppen (omkring 18,5%) efter oxygen.
Carbons atomer kan bindes sammen på forskellige måder, der betegnes dets allotroper. De bedst kendte er grafit, diamant og amorf carbon. Carbons fysiske egenskaber kan variere voldsomt, afhængig af dets allotropiske form. For eksempel er grafit opak og sort, mens diamant er meget transparent. Grafit er blødt nok til at kunne danne en stribe på papir (heraf dets navn, fra det græske verbum "γράφειν" som betyder "at skrive"), mens diamant er det hårdest naturligt forekommende materiale der kendes. Grafit er en god elektrisk leder, hvorimod diamant har lav elektrisk ledningsevne. Under normale forhold har diamant, carbonnanorør og grafen den højeste specifikke varmeledningsevne ud af alle kendte materialer. Alle carbon-allotroper har fast form under normale forhold, med grafit som den mest termodynamisk stabile form. De er kemisk resistente og kræver høje temperaturer for at kunne reagere med selv oxygen.
Carbons mest almindelige oxidationstrin i uorganiske forbindelser er +4, omend +2 findes i carbonmonoxid og overgangsmetal-carbonylkomplekser. Den største kilde til uorganisk carbon er kalksten, dolomit og carbondioxid, men der findes også betragtelige mængder i organiske depoter af kul, tørv, olie og metanhydrater. Carbon danner en lang række forbindelser, hvoraf der er blevet identificeret næsten ti millioner forbindelser til dato, flere end noget andet grundstof, og dette tal er blot en fraktion af det teoretisk mulige antal forbindelser under normale forhold.
Egenskaber thumb|left|Teoretisk forudsagt fasediagram for carbon Blandt carbons allotroper er grafit, en af de blødeste kendte substanser, og diamant, den hårdeste naturligt forekommende substans på kloden. Det binder nemt med andre, mindre atomer og andre carbonatomer, og er i stand til at danne flere stabile kovalente bindinger med disse. Carbon vides at kunne danne næsten ti millioner forskellige forbindelser, hvoraf et stort flertal er kemiskej. Carbon er også det grundstof, der har det højeste sublimationspunkt. Ved atmosfærisk tryk har det intet smeltepunkt, da dets tripelpunkt er ved 10,8 ± 0,2 MPa og 4.600 ± 300 K (~4.330 °C eller 7.820 °F), så det sublimerer ved omkring 3.900 K.
Carbon sublimerer i en carbonbue, som har en temperatur på omkring 5.800 K (5.530 °C; 9.980 °F). Derfor forbliver carbon i fast form ved højere temperaturer end selv de metaller med højest smeltepunkt, såsom wolfram og rhenium - uanset dets allotropiske form. Selvom det har en termodynamisk tendens til oxidering, modstår carbon oxidering mere effektivt end grundstoffer såsom jern og kobber, som er svagere reduktionsmidler ved rumtemperatur.
Carbonforbindelser danner basis for alt kendt liv på Jorden, og carbon-nitrogen-cyklussen leverer noget af energien produceret af Solen og andre stjerner. Selvom det danner mange forskellige forbindelser, er de fleste af carbons former relativt ikke-reaktive under normale forhold. Ved standardtemperatur og -tryk kan det modstå alt andet end de allerstærkeste oxidationsmidler. Det reagerer ikke med svovlsyre, saltsyre, klor eller alkalier. Ved forhøjede temperaturer reagerer carbon med oxygen og danner carbon-oxider, og den vil her stjæle oxygen fra metaloxider og efterlade metalgrundstoffet. Denne exoterme reaktion bruges i jern- og stålindustrien til at smelte jern og kontrollere carbonindholdet i stål:
+ 4 C → 3 Fe + 4 CO
med svovl til at danne carbondisulfid og med damp i kul-gas-reaktionen: C + HO → CO + H. Carbon kombinerer med nogle metaller ved høje temperaturer og danner metalliske karbider, såsom jernkarbiden cementit i stål, og wolframkarbid, der ofte bruges som slibemiddel og til at lave skarpe spidser på skæreværktøjer.
Pr. 2009 lader grafen til at være det stærkeste materiale der nogensinde er blevet testet. Processen med at adskille det fra grafit vil kræve yderligere teknologisk udvikling før det er økonomisk gunstigt til industrielle processer.
Systemet af carbonallotroper spænder over en række ekstremer: Grafit er et af de blødeste materialer, der kendes.Syntetisk nanokrystallin diamant er det hårdeste materiale, der kendes.Grafit er et meget godt smøremiddel, og udviser superlubricitet.Diamant er det ultimative slibemiddel.Grafit er en leder af elektricitet.Diamant er en fremragende elektrisk isolator.Nogle typer grafit bruges til varmeisolation (såsom brandbælter og varmeskjolde), men nogle andre typer er gode varmeledere.Diamant er den bedst kendte, naturligt forekommende varmeleder.Grafit er opak.Diamant er stærkt transparent.Grafit krystalliserer i det hexagonale system.Diamant krystalliserer i det kubiske system.Amorf carbon er fuldstændigt isotropisk.Carbon-nanorør er blandt de mest anisotropiske materialer, der kendes.
Allotroper
Atomar carbon er en meget kortlivet art og carbon stabiliseres derfor i diverse fleratomare strukturer med forskellige molekylære konfigurationer, kaldet allotroper. Carbons tre relativt velkendte allotroper er amorf carbon, grafit og diamant. Fullerener blev engang betragtet som eksotiske, men syntetiseres i dag og bruges til forskning; de omfatter buckminsterfullerener (også kaldet "buckybolde"), carbon-nanorør, carbon-nanobuds og nanofibre. Der er også blevet fundet flere andre eksotiske allotroper, såsom lonsdaleit (tvivlsom), glascarbon, carbon-nanoskum, carbyn og cyclocarbon.Cyclocarbon: New Form of Carbon Synthesized. Science News 2019
thumb|left|Et stort stykke glascarbon.
Den amorfe form er et udvalg af carbonatomer i et ikke-krystallinsk, uregelmæssigt, glasagtigt stadie, som i bund og grund er grafit, men ikke holdes i en krystallinsk makrostruktur. Det findes som et pulver, og er en hovedbestanddel i substanser såsom trækul, sod og aktivt kul. Ved normalt tryk tager form af grafit, hvori hvert atom bindes trigonalt til tre andre i et plan bestående af fusionerede hexagonale ringe, ligesom de ses i aromatiske carbonhydrider. Det resulterende netværk er todimensionelt, og de resulterende flade plader stables og bindes løst gennem svage van der Waals-kræfter. Dette giver grafit dens blødhed og spaltningsegenskaber (pladerne glider let forbi hinanden). På grund af at delokaliseringen af en af de ydre elektroner fra hvert atom danner en π-cloud, leder grafit elektricitet, men kun på planet for hver kovalent bundne plade. Dette resulterer i at carbon har en lavere samlet elektrisk ledeevne end de fleste metaller. Delokaliseringen står også for grafits energiske stabilitet over diamant ved rumtemperatur. thumb|300px|Nogle af carbons allotroper: a) diamant; b) grafit; c) lonsdaleit; d–f) fullerener (C, C, C); g) amorf carbon; h) carbon-nanorør.
Ved meget højt tryk danner carbon den mere kompakte allotrop, diamant, der har næsten dobbelt så stor massefylde sammenlignet med grafit. Her bindes hver atom tetrahedralt til fire andre, og danner et 3-dimensionelt netværk af rynkede seks-leddede atomringe. Diamant har den samme kubiske struktur som silicium og germanium. Det er den hårdeste naturligt forekommende substans målt ved hvor let det kan ridses, hvilket skyldes carbon-carbon-bindingernes styrke. På trods af den populære idé om at "diamanter varer evigt", er de termodynamisk ustabile under normale forhold, og transformerer sig til grafit. På grund af en høj aktivering-energibarriere er overgangen til grafit så langsom ved normale temperaturer at det ikke kan ses med det blotte øje. Under nogle forhold krystalliserer carbon som lonsdaleit, et hexagonalt krystalgitter med alle atomer kovalent bundet og egenskaber meget lig diamants.
Fullerener er en syntetisk formation med en grafit-lignende struktur, men i stedet for hexagoner er fullerener dannet af pentagoner (eller ligefrem heptagoner) af carbonatomer. De manglende (eller yderligere) atomer fordrejer pladerne til kugler, ellipser eller cylindere. Fullereners egenskaber (opdelt i buckminsterfullerener, buckminsterrør og nanobuds) er endnu ikke blevet fuldt analyseret, og repræsenterer et intenst forskningsområde i nanomateriale. Navnene "fulleren" og "buckybold" er opkaldt efter Richard Buckminster Fuller, der populariserede geodætiske kupler, som ligner fullereners struktur. Buckminsterfullerener er relativt store molekyler, der er dannet udelukkende af carbon bundet trigonant, og som har dannet sfæroider (den bedst kendte og simpleste er den fodbold-formede C buckminsterfulleren). Carbon-nanorør ligner buckminsterfullerener strukturelt, bortset fra at hvert atom er bindet trigonalt i et kurvet plan, der danner en hul cylinder. Nanobuds blev for første gang opdaget i 2007, og er et hybrid rør/buckminsterfulleren-materiale (buckminsterfullerener er kovalent bundet til et nanorørs ydre væg), som kombinerer begges egenskaber i en enkelt struktur.
En af de andre opdagede allotroper, carbon-nanoskum, er en ferromagnetisk allotrop opdaget i 1997. Den består af en klyngesamling af carbonatomer med lav massefylde, der hænger sammen i et løst tre-dimensionelt net hvori atomerne er bundet trigonalt i seks- og syv-leddede ringe. Det er blandt de letteste kendte faste stoffer, med en massefylde på omkring 2 kg/m. Glascarbon indeholder på lignende måde en høj andel af lukket porøsitet, men i modsætning til normal grafit er de grafitiske lag ikke stablet som siderne i en bog, men derimod mere tilfældigt arrangeret. Carbyn har den kemiske struktur -(C:::C)-. Carbon er i denne modifikation lineært med sp orbital hybridisering, og er en polymer med skiftende enkelte og tredobbelte bindinger. Denne carbyn er meget interessant indenfor nanoteknologien, da dens Young's modul er 40 gange så stort som diamants.
I 2015 bekendtgjorde et hold ved North Carolina State University at de havde udviklet en anden allotrop, døbt Q-carbon, ved at anvende en laserpuls af lav varighed på amorf carbonstøv. Q-carbon skal angiveligt udvise både ferromagetisme og fluorescens og være endnu hårdere end diamanter.
Forekomst thumb|Grafitmalm. thumb|Rå diamantkrystal. thumb|1990'ernes havoverflades opløste uorganiske carbonkoncentrationer.
Carbon er det fjerdemest forekommende grundstof i universet, målt efter masse, efter hydrogen, helium og oxygen. Carbon findes i rigelige mængder i Solen, stjernerne, kometer, og i de fleste planeters atmosfære. Der kan dannes mikroskopiske diamanter ved det intense tryk og høje temperatur, der finder sted ved meteoritnedstyrtninger.