碳的同素異形體（allotropes of carbon）
/ AL-uh-trohps /
純碳可以是地球上最硬的天然材料，也可以是你鉛筆裡那道柔軟的黑痕；可以是蠟燭的煙灰，也可以是薄到不能再薄的幾個原子厚的單層。所有這些都是同一種元素——碳，只是排列方式不同。一種元素的不同結構形式叫作同素異形體，而碳是其中的冠軍。
這種多樣性來自碳選擇如何成鍵。在金剛石中，每個碳都是 sp3 雜化，與四個鄰居鍵合成剛性的三維四面體網絡，沒有自由電子，這使金剛石極硬、透明且為電絕緣體（卻是出色的熱導體）。在石墨中，每個碳都是 sp2 雜化，與三個鄰居鍵合成扁平的六邊形片層，多出的那個 p 電子在每片內離域；片與片之間只靠微弱的范德華力相連，故能彼此滑動（石墨可作潤滑劑、能在紙上寫字），離域電子則在片內導電。石墨烯就是這樣的單層；碳奈米管是捲成圓筒的片；而富勒烯如 C60（巴克明斯特富勒烯）是由六邊形和五邊形閉合而成的籠，一個分子級的足球。
碳的同素異形體意義重大：金剛石用於切削和磨料，石墨用於電極、潤滑劑和核反應堆慢化劑，而更新的奈米碳（石墨烯、奈米管）則因其破紀錄的強度和電學性質而備受矚目。它們也是一個核心思想最乾淨的例證：完全相同的原子，僅憑成鍵幾何就能給出迥異的材料。請注意，金剛石和石墨都是真正的同素異形體，但在常壓下石墨是略更穩定的形式，金剛石只是被動力學困住（這正是為何你架子上的鑽石不會變成鉛筆芯）。
金剛石和石墨由相同的原子組成，卻在一切方面都不同：金剛石互鎖的 sp3 四面體使它成為最硬的天然固體兼絕緣體；石墨堆疊的 sp2 片層使它柔軟、滑膩，並能沿片層方向導電。
同一種元素，不同的成鍵幾何，相反的性質：這就是同素異形現象的本質。
在常規條件下，熱力學上更穩定的碳的形式是石墨，而非金剛石。金剛石之所以長存，只因把它轉化為石墨的速度慢到無從測量；金剛石在動力學上穩定，而非熱力學上穩定。「最硬」並不等於「最穩定」。