Carbonul (din latină: carbo, „cărbune”) este un element chimic cu simbolul C și numărul atomic 6. Este un element nemetalic tetravalent, ceea ce înseamnă că poate forma legături covalente prin punerea în comun a patru electroni. În natură sunt răspândiți trei izotopi, C și C fiind stabili, iar C este un izotop radioactiv cu un timp de înjumătățire de aproximativ 5.730 de ani. Carbonul este unul dintre puținele elemente cunoscute din antichitate.
Carbonul este al 15-lea cel mai abundent element din scoarța terestră, și al patrulea cel mai răspândit element din univers după masă, primele fiind hidrogenul, heliul și oxigenul. Răspândirea naturală mare a carbonului, diversitatea specifică a compușilor săi organici și abilitatea sa unică de a forma polimeri la temperaturi terestre i-au permis carbonului să fie elementul chimic comun al lumii vii. Este al doilea cel mai abundent element din corpul uman, după oxigen, reprezentând aproximativ 18,5% în procente de masă.
Atomii de carbon se pot lega între ei în diferite moduri, formând alotropii carbonului. Cele mai cunoscute exemple de alotropi sunt grafitul, diamantul și fulerenele. Proprietățile fizice ale carbonului variază mult în funcție de aceste forme alotropice. De exemplu, grafitul este negru, moale și opac, în timp ce diamantul este transparent și extrem de dur (mai exact, cel mai dur material natural cunoscut). Grafitul este un bun conductor electric, în timp ce diamantul are o conductivitate electrică scăzută. În condiții normale de temperatură și presiune, diamantul, nanotuburile de carbon și grafenul sunt materialele cu cea mai mare stabilitate termodinamică cunoscută. În aceste condiții, toți alotropii carbonului sunt materiale solide, grafitul fiind cel mai stabil termodinamic. Sunt puțin reactivi, de aceea au nevoie de temperatură ridicată chiar și pentru a reacționa cu oxigenul.
Cel mai întâlnit număr de oxidare al carbonul este +4 și se regăsește în compușii anorganici, în timp ce +2 se regăsește în monoxidul de carbon și în complecșii carbonilici ai metalelor tranziționale. Cele mai mari surse naturale de carbon anorganic sunt calcarul, dolomitul și dioxidul de carbon, iar majoritatea carbonului se găsește în materiile organice, în depozitele de cărbune, turbă, petrol și clatrați de metan. Carbonul formează un număr mare de compuși chimici, mai mulți decât orice alt elemente, existând aproximativ zece milioane de compuși descriși până în prezent, acest număr fiind mic în comparație cu numărul teoretic de compuși posibili pe care carbonul îi poate forma. Din acest motiv, carbonul a fost numit și „regele elementelor”.
Istoric thumb|left|Portretul lui Antoine Lavoisier în tinerețe
Carbonul a fost descoperit încă din Preistorie și a fost cunoscut în forma sa alotropică de cărbune încă din cele mai îndepărtate timpuri, anume la începutul civilizațiilor umane. O altă formă a sa, diamantul, a fost cel mai probabil cunoscut începând cu anii 2500 î.Hr. în China, în timp ce cărbunele era fabricat în perioada romană prin aceeași metodă folosită și în prezent.
În 1722, René-Antoine Ferchault de Réaumur a demonstrat că fierul putea fi transformat în oțel prin absorbția unei anumite substanțe, iar ulterior s-a înțeles că aceasta era de fapt carbonul. În 1772, Antoine Lavoisier a arătat că diamantele reprezintă o formă rară de carbon; acesta a ars bucăți de cărbune și de diamant și a ajuns la concluzia că niciuna dintre ele nu a eliminat apă (deci nu conțineau hidrogen), însă ambele au eliminat aceeași cantitate de dioxid de carbon per gram. În 1779, Carl Wilhelm Scheele a demonstrat că grafitul, despre care se credea că este o formă de plumb, era de fapt identic din punct de vedere chimic cu cărbunele, dar cu o mică cantitate de fier, întrucât prin tratarea cu un amestec de acid azotic se obținea dioxid de carbon. În 1786, savanții francezi Claude Louis Berthollet, Gaspard Monge și C. A. Vandermonde au confirmat faptul că grafitul era în majoritate alcătuit din carbon, oxidându-l cu oxigen prin aceeași metodă folosită mai devreme de Lavoisier pentru diamant. De asemenea, în urma arderii a rămas un reziduu de fier, despre care savanții au crezut că era necesar pentru structura grafitului. În lucrarea publicată, aceștia au propus numele de carbon () pentru elementul constituent al grafitului, care elimina gazul de dioxid de carbon prin încălzire. Ulterior, Antoine Lavoisier a introdus carbonul în lista de elemente chimice în cartea sa din 1789. O formă alotropică relativ nouă a carbonului, fulerenele, a fost descoperită mai recent, în 1985, și include forme nanostructurale precum Buckminsterfullerenele și nanotuburile de carbon. Savanții care au descoperit fulerenele, Robert Curl, Harold Kroto și Richard Smalley, au primit Premiul Nobel pentru Chimie în anul 1996. Rezultatele au dus treptat la mărirea interesului legat de noile forme ale carbonului, iar recent au fost descoperiți alotropi „exotici”, precum carbonul sticlos sau grafenele.
Etimologie Denumirea de carbon provine din termenul francez charbone, care, la rândul său, provine din latinescul carbo, care înseamnă cărbune. - Etimologia cuvântului carbon; accesat la 13 august 2017 O adaptare interesantă pentru denumirea elementului este întâlnită în limba germană, daneză și olandeză, unde Kohlenstoff, kulstof și koolstof înseamnă, literal, „substanță de cărbune”.
Structură atomică 200px|miniatura|dreapta|Structura atomică a carbonului Carbonul este cel de-al șaselea element chimic din Sistemul periodic al elementelor, și are în forma sa fundamentală următoarea configurație electronică: 1s22s22p2. Se poate remarca faptul că cei patru electroni din stratul 2 sunt electronii de valență ai elementului. Razele covalente ale carbonului sunt de obicei considerate a fi 77,2 pm (C–C), 66,7 pm (C=C) și respectiv 60,3 pm (C≡C), deși acestea pot varia în funcție de numărul de coordinare și de atomul de care se leagă carbonul. În general, raza covalentă descrește cu scăderea numărului de coordinare și cu creșterea ordinului de legătură.
Prin apartenența sa la perioada a doua, carbonul este singurul element din grupa a 14-a care este capabil să fie hibridizat sp2 și sp, dând naștere la legături duble (sigma-pi) și la legături triple (sigma-2pi), spre deosebire de restul elementelor din grupă. În combinațiile carbonului cu numărul de coordinare 4, cei patru orbitali din configurația fundamentală hibridizează, formând patru orbitali echivalenți sp3.Nenițescu, Chimie Generală, p. 786
Carbonul formează aproape în totalitate patru legături chimice cu alți atomi, în special în compușii organici, conferindu-i geometria specifică tetraedrică, totuși au fost întâlnite excepții. În 2016, a fost confirmat faptul că hexametilbenzenul conține un atom de carbon ce formează șase legături, față de numărul obișnuit de patru.
Proprietăți fizice thumb|left|260px|Diagrama de fază teoretică a carbonului Printre formele alotropice diferite ale carbonului se numără una dintre cele mai moi substanțe cunoscute, anume grafitul, și cea mai dură substanță întâlnită în natură, anume diamantul. Carbonul este un element remarcabil din mai multe motive, unul dintre acesta fiind capacitatea deosebită de a forma legături chimice cu alți atomi mici, incluzând atomii de carbon, iar mărimea sa îl face capabil de a forma legături covalente multiple cu atomi multivalenți. Datorită acestor proprietăți, carbonul poate forma aproape zece milioane de compuși chimici diferiți, majoritatea compușilor care există. De asemenea, carbonul are cel mai mare punct de sublimare dintre toate elementele. La presiunea atmosferică, nu are niciun punct de topire, iar punctul triplu este la 10,8 ± 0,2 MPa și 4.600 ± 300 K (~4,330 °C), așadar sublimează la aproximativ 3.900 K.
Carbonul sublimează într-un arc de carbon ce are o temperatură de aproximativ 5.530 °C. Astfel, el rămâne solid la temperaturi mai înalte decât cele mai mari puncte de topire ale metalelor, precum wolframul sau reniul, indiferent de forma sa alotropică. Deși are din punct de vedere termodinamic o tendință de oxidare, carbonul rezistă la oxidare mai bine decât elemente precum fierul sau cuprul, care sunt agenți reducători mai slabi la temperatura camerei.
Valorile pentru primele patru energii de ionizare ale carbonului, 1086,5 kJ/mol, 2352,6 kJ/mol, 4620,5 kJ/mol și 6222,7 kJ/mol, sunt cu mult mai mari decât în cazul celorlalte elemente mai grele din grupa a 14-a. Electronegativitatea carbonului este 2,5, cu mult mai mare decât a elementelor mai grele din aceeași grupă, a căror electronegativitate variază între 1,8 și 1,9, dar destul de apropiată de cea a nemetalelor vecine și de a unor metale tranziționale din perioadele 5 și 6.
Cele mai reprezentative proprietăți fizice extreme ale formelor alotropice ale carbonului au fost aranjate în tabelul de mai jos: Grafitul este unul dintre cele mai moi materiale cunoscute.Diamantul nanocristalin sintetic este cel mai dur material cunoscut.Grafitul este un lubrifiant foarte bun, fiind un superlubrifiant.Diamantul este unul dintre cele mai bune abrazive.Grafitul este un conductor al electricității.Diamantul este un izolator electric excelent.Unele forme de grafit sunt utilizate ca și izolator termic, dar unele sunt conductori termici buni.Diamantul este cel mai bun conductor termic întâlnit în natură.Grafitul este opac.Diamantul este puternic transparent.Grafitul cristalizează în sistemul hexagonal.Diamantul cristalizează în sistemul cubic.Carbonul amorf este complet izotrop.Nanotuburile de carbon sunt printre cele mai anizotrope materiale cunoscute.
Forme alotropice
Carbonul atomic este o specie chimică cu o durată de viață foarte scurtă, de aceea carbonul, ca și element, se stabilizează prin intermediul unor structuri multi-atomice, cu diferite configurații moleculare, numite alotropi sau forme alotrope. Cele mai cunoscute trei forme alotrope ale carbonului sunt grafitul, diamantul și carbonul amorf. Deși în trecut erau considerate forme exotice, fulerenele sunt în prezent sintetizate în mod comun și utilizate în cercetare; din această clasă fac parte buckminsterfullerenele, nanotuburile de carbon,, carbon nanobuds („nano-muguri”) și nanofibrele de carbon. Alți câțiva alotropi au fost descoperiți, precum lonsdaleitul, carbonul sticlos, nanospuma de carbon și carbonul acetilenic liniar, numit și carbină.
Din 2009, grafenele par a fi cele mai dure sau puternice materiale testate vreodată. Procedeul de separare al grafenei din grafit necesită o viitoare dezvoltare tehnologică, pentru a fi potrivit economic pentru procedee industriale. Dacă cercetările vor fi de succes, grafenele ar putea fi utilizate pentru eventuala construcție a unui lift spațial. De asemenea, o altă utilizare a lor ar putea fi cea de rezervor pentru hidrogen în automobilele care au motoare pe bază de hidrogen.
thumb|left|Un eșantion de dimensiuni mari de carbon sticlos.