碳是一种生命元素，是从低等微生物到植物、到动物等生命的重要组成部分，也是生命延续所需要的碳水化合物的重要组成部分。生命离不开碳！而在自然界碳，也因为结构的不同，呈现迥然不同，多彩多姿的形式！
从黑乎乎的火里烧出来的便宜的木炭，到光线下晶莹剔透散发五彩光芒的昂贵的钻石！从非常柔软的石墨，到轻易切开玻璃硬度非常高的金刚石！哦，对了钻石就是金刚石，不过是应用在不同领域的习惯叫法！而这一切，竟然都是碳元素存在于自然界的不同状态，也就是所谓同素异构体！产生这种截然不同的原因是什么呢？那就得从微观的杂化轨道理论谈起吧！
化学里轨道理论是重要的基础，每一个化学元素，理论上最外层应该可以有8个电子，但是一般不会填满，如果填满就是惰性物质，如我们知道的惰性气体。其他大部分是1-7个电子，电子少于4的一般是活泼的金属，电子容易被“人”夺走，多余4的，容易抢来“别人”的电子，例如氧气。这就形成了化学键。那么正好是4的，化学性质就比较稳定，但是没有8的稳定，也可以抢来“别人”的电子，自己也会被“别人”抢走。但因为这个力量有些势均力敌，不容易完全夺走或抢过来，所以大部分处于相持状态，这样的化学键就是共价键。有机化学就是大部分是共价键基础上的科学，所以有机化学也可以在一定程度上说是碳化学，有机物在上一步就是生命。学有机化学都学过一点轨道杂化理论，这种杂化理论就相当于抢电子但不能完全抢走形成的共价键理论，但有的偏向于抢少一些，有的抢多一些。
以最简单的几种碳化物为例：
1、乙炔CHCH
乙炔就是sp杂化：直线形
2、乙烯CH2CH2
乙烯就是sp2杂化：平面三角形
3、乙烷 CH3CH3
乙烷 sp3杂化：空间四面体。
以上搞明白了，就好办了，简单来说，石墨的微观结构是SP2杂化形成的二维片层结构，而金刚石微观结构是SP3杂化形成的三维立体结构。
人类历史发展这么多年，有多少种碳呢？除了自然界存在的，人们开发了以下的各种“碳材料”：
这么多都是啥东东？
其实也很简单，凡是叫炭的，都是不太纯的碳，而纯的那部分碳，微观结构就石墨的片层结构！
碳纤维呢？其实碳纤维技术长度方向有序，而垂直长度方向无序的二维乱层石墨。
最近一些年红的发紫的石墨烯，那就简单了，理论上就是真正的单层石墨呗！
碳纳米管也是SP2杂化，原本应该是片层的，但被卷起了煎饼，如下图。当然其卷起来的大小不一样，决定卷啥样的“大葱”，这是碳纳米管的特点。
富勒烯，也是SP2杂化
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