碳在元素周期表中排位第六，有六个电子围绕在原子核周围，同时它也是地球上含量最丰富的元素之一，位居第六。碳的电子结构为1s²2s²2p_x¹2p_y¹2p⁰_z。碳的电子能级分布情况如图2.1所示。读者也许会对只有p⁰_z上没有电子这一点产生疑问。事实上，p_x、p_y和p_z的能级是相等的，如图2.1所示。因此，为了方便起见以及看起来更具有体系性，我们让p_z上显示为无电子。

在碳的六个电子中，位于价层的四个电子在碳的三种杂化过程中起着至关重要的作用，即sp、sp²、sp³。这与其他元素有着显著差异。

图2.1 碳原子的Is2s2p轨道能级图

图2.2中展现了石墨的图示以及含碳材料的不同杂化。sp²和sp³杂化碳原子是迄今为止所有稳定的碳结构的主要组成部分。

图2.2 碳的不同杂化

量子物理学家、1932年及1933年诺贝尔物理学奖得主薛定谔（Schrod-inger）、海森堡（Heisenberg）、狄拉克（Dirac）论述了在原子核的影响下碳的六个电子的运动状态。(www.daowen.com)

埃尔温·薛定谔 (Erwin Schrodinger)

维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg)

保罗·狄拉克 (Paul Dirac)

碳具有形成多种有机物的独特能力，同时它也具有形成特殊聚合物的能力。它可以以各种不同的方式与许多元素结合在一起，难怪它是所有已知生命形式的基本元素。碳以原子形态只能存在极短的时间，因此它的各种分子构型或同素异形体的多原子结构才是稳定的，如无定形碳、石墨、金刚石和1985年新发现的富勒烯，包括巴基球、碳纳米管、碳纳米球、纳米纤维等。