炭素
炭素は4本の共有結合ができ、結合の状態によって数種類の同素体を形成する。炭素同士がsp混成軌道を形成し、正六角形の平面構造を取った膜が重なったものがグラファイトになる。2009年、グラファイトの基本構造である薄いグラフェンは非常に高い硬度を持つことが判明した。しかし、グラファイトから薄いグラフェンを経済的に剥ぎ取る技術は確立されておらず、事業性の確立は今後の開発を待つ必要がある。また、炭素がsp混成軌道を形成して正四面体の立体結晶構造を取った巨大分子となったものがダイヤモンドとなる。同じ炭素の同素体であるが、前者は電気伝導性が高く軟らかい、後者は絶縁体で硬いなど、まったく異なる性質を示す。ダイヤモンドが炭素の同素体であることを示したのはラヴォアジエである。実験内容は、密閉容器に納めたダイヤモンドを虫眼鏡により燃焼させると二酸化炭素だけが生成されるというものである。
木炭やススなどは結晶構造を持たないアモルファス状態であり「無定形炭素」と呼ばれる。この種類には、工業的に重要な炭素繊維や活性炭、コークスなども含まれる。
以上3種は古くから知られていたが、20世紀後半以降、球状のグラフェンであるフラーレンや多分野での開発が進んでいるカーボンナノチューブ、カーボンナノバッド、カーボンナノファイバー(英語版)などや、ロンズデーライトやガラス状炭素、カーボンナノフォーム、カルビンなどの複雑な構造を持つ炭素の同素体が多数発見されている。
そのため古い石や化石などの閉じた系では時間とともに存在比が低くなることが知られ、考古学や標本の分野で4万年スケール、最大6万年の時代判定を行う放射性炭素年代測定法に使用したり、過去の宇宙線強度が変化した様子を通じて太陽活動や地球磁場の変遷を分析するために使われる。
ほかにも、生物学や医学の分野でもCをマーカーにした多くの分析法が開発された。光合成の初期研究には炭素14(C)が用いられ、その後は効果的な肥料の開発にも同位体が使われる。ただし放射性物質である炭素14は取り扱いが難しいため、現在では放射能を持たない同位体元素である炭素13(C)を用いた分析法も開発されている。
その他、炭素には半減期が非常に短い15種類の同位体が知られている。C は半減期 1.98739 × 10秒で陽子放出やアルファ崩壊を起こす。Cは風変わりな中性子ハローの状態で存在する。