Węgiel należy do 14 grupy układu okresowego, zwanej węglowcami. Jego liczba atomowa wynosi 6, natomiast masa atomowa to 12,011. Jest niemetalem, który w swoich związkach występuje na -IV, +II i +IV stopniu utlenienia. Pierwiastek ten jest nierozpuszczalny w wodzie, zasadach oraz kwasach. Węgiel jest mało aktywny pod względem chemicznym. w temperaturze pokojowej ulega reakcji jedynie z fluorem, natomiast w podwyższonej temperaturze łączy się z tlenem, tworząc tlenki (tlenek węgla(II) CO oraz dwutlenek węgla CO2), oraz z siarką. w wysokich temperaturach ulega reakcjom z metalami, dając węgliki (np.Al4C3 i CaC2) oraz wodorem. Na skutek działania kwasów i wody węgliki ulegają rozkładowi, np.:

CaC2+H2O = Ca(OH)2 +C2H2

Liczba znanych związków węgla, występujących w przyrodzie oraz otrzymanych sztucznie, przewyższa liczbę związków wszystkich innych pierwiastków (z wyjątkiem wodoru). Bogactwo istniejących związków węgla wynika z dwóch ważnych własności tego pierwiastka, które odróżniają go od innych węglowców. Węgiel ma zdolność do tworzenia prostych, rozgałęzionych lub zamkniętych w pierścienie łańcuchów, które są trwałe na skutek wysokiej energii wiązania C-C. Drugą cechą wyróżniającą węgiel, jest możliwość tworzenia między jego atomami wiązań podwójnych i potrójnych.

Alotropia jest zjawiskiem polegającym na występowaniu dwóch lub więcej odmian tego samego pierwiastka, różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany te mogą posiadać różną budowę krystaliczną (węgiel i diament), albo różne ilości atomów w cząsteczce (np. ozon O3 i tlen O2). Węgiel tworzy trzy odmiany alotropowe. Są to grafit, diament i fullereny. Poza węglem odmiany alotropowe mają również m.in. fosfor, antymon, selen i siarka.

  • Grafit jest odmianą alotropową węgla, która występuje także w postaci minerału. Jest on ciemnoszarym ciałem stałym, tłustym w dotyku i słabym metalicznym połysku. Grafit jest bardzo miękki (jego twardość w skali Mohsa wynosi 1), dobrze przewodzi elektryczność i ciepło. Jego gęstość to 2,1-2,3 g/cm3. Sieć przestrzenna grafitu zbudowana jest z równoległych warstw, w obrębie których atomy węgla wykazują liczbę koordynacyjną równą 3. Długość wiązania między atomami węgla wynosi 142 pm, a kąt między tymi wiązaniami wynosi 120°.

Grafit ze względu na swoją odporność na działanie wysokich temperatur, wykorzystywany jest do wyrobu tygli do topienia metali. Stosowany jest również do produkcji ołówków i farb antykorozyjnych. Ze względu na dobre przewodnictwo elektryczne używa się go do wyrobu elektrod dla przemysłu elektrochemicznego i elektrometalurgicznego. Bywa wykorzystywany jako smar do mechanizmów pracujących w podwyższonych temperaturach. Grafit może być także moderatorem w reaktorach jądrowych.

  • Diament w stanie czystym tworzy bezbarwne przezroczyste kryształy o strukturze regularnej, bardzo twarde (10 w skali Mohsa), silnie łamiące światło, nie przewodzące prądu elektrycznego. Ich gęstość to 3,5 g/ cm3. Zanieczyszczenia diamentu powodują, że przybiera on różne barwy. W zależności od ilości i rodzaju tych zanieczyszczeń kryształy diamentu mogą być zabarwione na czerwono, żółto, niebiesko lub brunatno. Spotykane są także czarne diamenty (karbonado)

Na skutek ogrzewania diamentu bez dostępu powietrza otrzymujemy grafit. W sieci przestrzennej grafitu każdy atom węgla jest otoczony przez 4 inne atomy, których środki ciężkości wyznaczają czworościan foremny. Wszystkie wiązania chemiczne w tej sieci są wiązaniami kowalencyjnymi i mają tą samą długość, która wynosi 154 pm. Diament jest mało aktywną chemicznie substancją nawet w wysokiej temperaturze. W powietrzu spala się powoli dopiero powyżej 1100K. Nie reaguje z kwasami i zasadami, natomiast ulega działaniu silnej saletry i stopionego węglanu sodu.

Diament znalazł zastosowanie w jubilerstwie, w wiertnictwie, w produkcji materiałów ściernych, i narzędzi tnących. Oszlifowane diamenty, zwane brylantami, uważane są za najpiękniejsze kamienie szlachetne. Okazy diamentów nadające się do celów jubilerskich spotyka się jednak bardzo rzadko, a przeważająca część diamentów wykorzystywana jest w celach technicznych.

  • Fullereny to odmiana alotropowa węgla, która występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach w sadzy węglowej oraz w przestrzeni kosmicznej w otoczeniu wygasłych gwiazd. Do najbardziej trwałych fullerenów zaliczamy: C32, C44, C50, C58, C60, C70, C240, C540 i C960. Nazwa fullereny pochodzi od nazwiska amerykańskiego konstruktora Richarda Buckminstera Fullera. Fullereny otrzymuje się w wyniku odparowania grafitu w próżni (R.E. Smalley), albo w obojętnym gazie (W. Krätschmer). Z sadzy mogą zostać oddzielone na drodze ekstrakcji w rozpuszczalniku organicznym (np. benzenie).

Fullereny zbudowane są od kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla, które tworzą regularną, zamkniętą w środku kulę, rurkę lub elipsoidę. Największą zaobserwowaną cząsteczką jest C960. Najpopularniejszym fullerenem jest C60, który ma kształt dwudziestościanu ściętego (czyli piłki futbolowej, której średnica przekracza 1nm), natomiast C70 posiada kształt piłki do rugby.

Fullereny nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast ulegają rozpuszczeniu w rozpuszczalnikach organicznych, np. toluenie, benzenie oraz dwusiarczku węgla. Z metalami fullereny dają związki inkluzyjne (tzw. metalofullereny), a atom węgla w cząsteczce fullerenu może zostać zastąpiony atomem innego pierwiastka. Są one żółtymi lub brązowymi ciałami stałymi, które łatwo ulegają sublimacji

Prawdopodobnie fullereny oraz ich związki metaliczne będą wykorzystywane jako półprzewodniki, przewodniki, nadprzewodniki, farmaceutyki, smary i włókna sztuczne.