Jabarkan Alotrop dari Karbon

Karbon atomik adalah spesies yang berumur sangat pendek dan, oleh karena itu, karbon distabilkan dalam berbagai struktur multi-atom dengan konfigurasi molekul beragam yang disebut alotrop. Tiga alotrop karbon yang relatif terkenal adalah karbon amorf, grafit, dan intan. Setelah dianggap eksotis, fulerena saat ini umumnya disintesis dan digunakan dalam penelitian; mereka termasuk buckyball, tabung nano karbon, kuncup nano karbon, dan serat nano karbon. Beberapa alotrop eksotis lainnya juga telah ditemukan, seperti lonsdaleit, karbon kaca, busa nano karbon dan karbon asetilenik linier (karbin).

Grafena adalah lembaran karbon dua dimensi dengan atom-atom yang tersusun dalam kisi heksagon. Pada 2009, grafena tampaknya menjadi bahan terkuat yang pernah diuji. Proses pemisahannya dari grafit akan membutuhkan beberapa pengembangan teknologi lebih lanjut sebelum ia menjadi ekonomis untuk proses industri. Jika berhasil, grafena dapat digunakan dalam pembangunan lift luar angkasa. Ia juga dapat digunakan untuk menyimpan hidrogen dengan aman untuk digunakan dalam mesin berbasis hidrogen pada mobil.

Bentuk amorf karbon adalah bermacam-macam atom karbon dalam keadaan nonkristal, tidak teratur, seperti kaca, tidak disimpan dalam struktur makro kristal. Ia hadir sebagai bubuk, dan merupakan konstituen utama dari zat seperti arang, lampblack (jelaga) dan karbon aktif. Pada tekanan normal, karbon berbentuk grafit, di mana setiap atom terikat secara trigonal dengan tiga atom lainnya dalam bidang yang terdiri dari cincin heksagonal yang menyatu, seperti yang ada pada hidrokarbon aromatik. Jaringan yang dihasilkan berbentuk 2 dimensi, dan lembaran datar yang dihasilkan ditumpuk dan diikat secara longgar melalui gaya van der Waals yang lemah. Hal ini memberi grafit sifat kelembutan dan kebersihannya (lembarannya mudah tergelincir satu sama lain). Karena delokalisasi salah satu elektron terluar dari setiap atom untuk membentuk awan π, grafit menghantarkan listrik, tetapi hanya pada bidang yang setiap lembarannya terikat secara kovalen. Hal ini akan menghasilkan konduktivitas listrik curah yang lebih rendah untuk karbon daripada kebanyakan logam lainnya. Delokalisasi juga menyumbang stabilitas energik grafit di atas intan pada suhu kamar.

Pada tekanan yang sangat tinggi, karbon membentuk alotrop yang lebih kompak, intan, yang memiliki massa jenis hampir dua kali lipat massa jenis grafit. Di sini, setiap atom terikat secara tetrahedron ke empat atom lainnya, membentuk jaringan 3 dimensi dari cincin atom beranggota enam yang mengerut. Intan memiliki struktur kubik yang sama dengan silikon dan germanium, dan karena kekuatan ikatan karbon-karbon, intan merupakan zat alami yang paling sulit diukur dengan ketahanan terhadap goresan. Berlawanan dengan kepercayaan populer bahwa "intan ada selamanya", mereka secara termodinamika tidak stabil (ΔfG°(intan, 298 K) = 2,9 kJ/mol) dalam kondisi normal (298 K, 105 Pa) dan secara teoretis harus berubah menjadi grafit. Tetapi karena penghalang energi aktivasi yang tinggi, transisi menjadi grafit sangatlah lambat pada suhu normal sehingga tidak terlalu mencolok. Namun, pada suhu yang sangat tinggi intan akan berubah menjadi grafit, dan intan dapat terbakar dalam kebakaran rumah. Sudut kiri bawah dari diagram fase untuk karbon belum diteliti secara eksperimental. Meskipun studi komputasi menggunakan metode teori fungsi rapatan mencapai kesimpulan bahwa sebagai  dan , intan menjadi lebih stabil daripada grafit sekitar 1,1 kJ/mol, studi eksperimental dan komputasi yang lebih baru serta definitif menunjukkan bahwa grafit lebih stabil daripada intan untuk , tanpa tekanan, sebesar 2,7 kJ/mol pada T = 0 K dan 3,2 kJ/mol pada T = 298,15 K. Dalam beberapa kondisi, karbon mengkristal menjadi lonsdaleit, sebuah kristal heksagon dengan semua atom terikat secara kovalen dan sifat yang mirip dengan intan.

Fulerena adalah formasi kristal sintetis dengan struktur seperti grafit, tetapi tidak hanya sel heksagon datar saja, beberapa sel yang membentuk fulerena mungkin berbentuk segi lima, segi enam nonplanar, atau bahkan segi tujuh atom karbon. Lembaran-lembaran tadi demikian melengkung menjadi bola, elips, atau silinder. Sifat-sifat fulerena (dipecah menjadi buckyball, buckytube, dan kuncup nano) belum sepenuhnya dianalisis dan mewakili area penelitian yang intens dalam bahan nano. Nama fulerena dan buckyball diambil dari Richard Buckminster Fuller, pemopuler kubah geodesik, yang menyerupai struktur fulerena. Buckyball adalah molekul yang cukup besar yang terbentuk sepenuhnya dari karbon yang terikat secara trigonal, membentuk sferoid (yang paling terkenal dan paling sederhana adalah C bukminsterfulerena berbentuk bola sepak). Tabung nano karbon (buckytube) secara struktural mirip dengan buckyball, kecuali bahwa setiap atom terikat secara trigonal dalam lembaran melengkung yang membentuk silinder berongga. Kuncup nano pertama kali dilaporkan pada tahun 2007 dan merupakan bahan hibrid buckytube/buckyball (buckyball secara kovalen terikat pada dinding luar tabung nano) yang menggabungkan sifat keduanya dalam satu struktur.

Dari alotrop-alotrop lain yang telah ditemukan, busa nano karbon adalah alotrop feromagnetik yang ditemukan pada tahun 1997. Ia terdiri dari kumpulan atom karbon berdensitas rendah yang dirangkai dalam jaring tiga dimensi yang longgar, di mana atom-atomnya terikat secara trigonal dalam cincin beranggota enam dan tujuh. Ia adalah salah satu padatan paling ringan yang diketahui, dengan massa jenis sekitar 2 kg/m. Demikian pula, karbon kaca mengandung proporsi porositas tertutup yang tinggi, tetapi bertentangan dengan grafit normal, lapisan grafit tidak ditumpuk seperti halaman dalam buku, tetapi memiliki susunan yang lebih acak. Karbon asetilenik linier memiliki struktur kimia −(C:::C)n−. Karbon dalam modifikasi ini linier dengan hibridisasi orbital sp, dan merupakan polimer dengan ikatan tunggal dan rangkap tiga yang berselang-seling. Karbina ini sangat menarik bagi teknologi nano karena modulus Young-nya 40 kali lipat lebih besar daripada bahan terkeras yang diketahui – intan.

Pada tahun 2015, sebuah tim di North Carolina State University mengumumkan pengembangan alotrop lain yang mereka namakan karbon Q, yang dibuat oleh pulsa laser durasi rendah berenergi tinggi pada debu karbon amorf. Karbon Q dilaporkan menunjukkan feromagnetisme, fluoresensi, dan kekerasan yang lebih tinggi daripada intan.

Pada fase uap, sebagian karbon berbentuk dikarbon (). Ketika dieksitasi, gas ini bersinar hijau