Das Element Kohlenstoff ist ein nichtmetallisches Material, das sechs Elektronen enthält. Holzkohle, eine Form von Kohlenstoff, wird seit prähistorischen Zeiten verwendet. Der Name Carbon kommt vom lateinischen Wort carbo, was Holzkohle bedeutet. Kohlenstoff findet sich in organischem Material wie Pflanzen und Tieren und in anorganischen Materialien wie Mineralien und Erzen. Elementarer Kohlenstoff bezieht sich auf die anorganischen Formen von Kohlenstoff, die in kristalliner und amorpher Form vorkommen.
Kristalline Formen haben elementare Kohlenstoffatome, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind, während die Kohlenstoffatome in amorphen Formen keine regelmäßigen Muster aufweisen. Die beiden kristallinen Formen von elementarem Kohlenstoff sind Diamanten und Graphit. Die Kristallstruktur des Diamanten wird durch jedes Kohlenstoffatom gebildet, das eine kovalente Bindung herstellt, indem es ein Elektronenpaar mit vier anderen Kohlenstoffatomen teilt. Kovalente Bindungen sind die stärksten chemischen Bindungen, die der Menschheit bekannt sind. Diamanten sind die härtesten bekannten Substanzen und die am wenigsten flüchtigen mit einem Schmelzpunkt von 6,242 ° F (3,550 ° C).
Die kristalline Struktur von Graphit wird durch Kohlenstoffatome gebildet, die enge hexagonale Bindungen mit anderen Atomen in derselben Ebene und eine lockerere Bindung zwischen Atomen in verschiedenen Ebenen bilden. Eine lose Bindung zwischen den Ebenen macht Graphit sehr weich und ermöglicht die Verwendung von Graphit als Schmiermittel. Im Gegensatz zu Diamanten ist Graphit ein guter elektrischer Leiter.
Vor 1955 stammten alle Diamanten aus natürlichen Vorkommen. 1955 bewiesen Labortests, dass die Anwendung von hohem Druck und hoher Temperatur auf Graphit in Gegenwart eines Katalysators synthetische Diamanten erzeugen kann. Synthetische Diamanten werden meist für industrielle Zwecke verwendet.
Amorpher Kohlenstoff entsteht, wenn ein kohlenstoffhaltiges Material ohne ausreichend Sauerstoff verbrannt wird, um eine vollständige Verbrennung zu ermöglichen. Der resultierende Ruß kann zur Herstellung von Trockenzellenbatteriekernen, Tinten und Lacken verwendet werden und ist ein kritisches Element bei der Herstellung von Gummiprodukten. Ruß ist auch das Nebenprodukt von Waldbränden und unzureichender Verbrennung von Kraftstoffen in Automobilen, Produktionsanlagen und der kohlebasierten Stromerzeugung. Dieselkraftstoff erzeugt bei der Verbrennung mehr Ruß als Benzin. Ruß kann sowohl Gesundheits- als auch Umweltprobleme verursachen.
Ein Feinstaub, der gesundheitliche Probleme verursachen kann, ist amorpher elementarer Kohlenstoff. Asthma und chronische Bronchitis wurden mit Ruß in Verbindung gebracht, und es gibt Hinweise darauf, dass Ruß oder Ruß das Risiko für Emphysem und Lungenkrebs erhöhen können. Schwarzer Kohlenstoff ist auch ein Faktor des Klimawandels. Da Ruß wochenlang in der Atmosphäre verbleibt und nicht wie bei Kohlendioxid Jahrhunderte, wird die Verringerung der Rußemissionen als eine der schnellsten Möglichkeiten angesehen, die Auswirkungen des globalen Klimawandels möglicherweise zu verringern.