Węgiel w przyrodzie występuje w stanie wolnym w postaci minerałów- diamentu i grafitu. Są to dwie odmiany alotropowe tego pierwiastka, które różnią się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Diament jest to najtwardszy minerał, który nie przewodzi prądu elektrycznego. Czysty diament jest bezbarwny. Grafit tworzy czarne, łupliwe i miękkie kryształy, które bardzo dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny. Nie rozpuszcza się w wodzie. Kolejnymi odmianami alotropowymi węgla, które zostały otrzymane sztucznie są fullereny. Fullereny są strukturami zbudowanymi z bardzo dużej ilości atomów węgla (od kilkudziesięciu do kilkuset), które tworzą elipsoidę lub kulę. Są to brązowe, półprzeźroczyste ciała stałe, posiadające metaliczny połysk. Nie są rozpuszczalne w wodzie.
Najprostszymi związkami węgla są węglowodory. Zbudowane są jedynie z węgla i wodoru. Wyróżniamy węglowodory nasycone (alkany) i nienasycone (alkeny i alkiny).
Pomiędzy atomami węgla w cząsteczkach alkanów występują jedynie wiązania pojedyncze. Alkany tworzą szereg homologiczny (zbiór związków chemicznych, o podobnych właściwościach i budowie, w którym każdy następny związek różni się od poprzedniego o stały człon -CH2). Wzór ogólny alkanów to CnH2n+2. Stan skupienia alkanów zależy od ilości atomów węgla w ich cząsteczkach. Alkany, które mają od 1 do 4 atomów w łańcuchu węglowym są gazami, te których cząsteczki mają od 5 do 16 atomów węgla są cieczami, a alkany, których łańcuchy węglowe mają powyżej 17 atomów są ciałami stałymi. W zależności od warunków, w jakich przebiega spalanie alkanów, otrzymujemy różne produkty. Jeśli ograniczymy dostęp tlenu, będziemy mieć do czynienia z półspalaniem (otrzymamy parę wodna i CO) lub spalaniem niecałkowitym (powstanie węgiel i para wodna). Jeżeli spalanie przebiegnie przy pełnym dostępie tlenu będzie to spalanie całkowite (otrzymamy CO2 i parę wodną).
Kraking (piroliza) jest to proces polegający na rozerwaniu długich łańcuchów węglowodorowych i utworzeniu krótszych cząsteczek, który zachodzi w temperaturze 400-600oC i w obecności katalizatora. Stosowany jest do otrzymywania oleju napędowego i benzyny.
Wzór ogólny alkenów, czyli węglowodorów nienasyconych, które posiadają wiązanie podwójne między atomami węgla, wygląda następująco: CnH2n. Najprostszym alkenem jest eten (etylen). Jest on bezbarwnym gazem, który z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową. Cząsteczki etenu wykazują zdolność do polimeryzacji, czyli mogą łączyć się ze sobą , tworząc produkt wielkocząsteczkowy (polimer).
Alkiny zawierają jedno wiązanie potrójne pomiędzy atomami węgla. Ich wzór ogólny to: CnH2n-2. Najprostszy alkin to etyn (acetylen). Jest on palnym, bezbarwnym, rozpuszczalnym w wodzie gazem. Etyn jest bardzo aktywny chemicznie i tworzy on z powietrzem mieszaninę wybuchową.
