Угљеник, угљик или карбон (-{C}-, ), неметал је -{IVа}- групе. Стабилни изотопи су му: -{12C i13C}-. Битан нестабилан изотоп је -{14C}- (настаје од 14N у горњим слојевима атмосфере). Овај четворовалентни неметал има неколико алотропских модификација: дијамант (најтврђи познати природни минерал). Назив му потиче од грчке речи adams, што значи „непобедив“, јер је најтврђи минерал у природи. Брушењем се од дијаманта добија брилијант, облик којим се истиче његова лепота и сјај и који се користи за накит. Хемијска формула -{C}-. Везивна структура: 4 електрона у 3-димензионим sp3-орбиталама. графит (једна од најмекших супстанци). Исте хемијске формуле као дијамант -{C}-. Везивна структура: 3 електрона у 2-димензионалним -{sp}-2-орбиталама и 1 електрон у -{p}--орбитали. фулерен Хемијска формула -{C60}-, данас има широку примену у пољопривреди.
Угљеник је био познат још у праисторији. Да је хемијски елемент први је утврдио Антоан Лавоазије. Међународни назив је изведен од латинске речи carbo, угаљ.
Цела једна грана хемије, органска хемија, се базира на једињењима која у себи садрже угљеник. Сем органских једињења велики значај имају угљеник(-{II}-)оксид (угљен-моноксид), угљеник(-{IV}-)оксид (угљен-диоксид), угљена киселина, карбиди и карбонати.
Заступљеност Угљеник је у природи веома распрострањен у виду својих једињења. Убраја се у биогене елементе и у људском телу је други по заступљености, са 18%. У елементарном стању јавља се у неколико алотропских модификација.Угљеник је есенцијални елемент у биосфери, те по масеном уделу други најраспрострањенији елемент након кисеоника у живим организмима. Сва жива ткива су састављена из органских једињења угљеника. Међутим, геолошки гледано он се не убраја у најраспрострањеније елементе. Угљеник је заступљен у земљиној кори у количини од 0,087%. Он се налази у неживој природи претежно у облику једињења, али и слободан у облику дијаманта и графита. Главна налазишта дијаманата налазе се у Африци (Јужноафричка Република и Конго) и Русији. Они се често могу наћи у вулканским стенама попут кимберлита. Графит се јавља релативно ретко у метаморфним стенама богатим угљеником. Најзначајнија налазишта су у Индији и Кини.
Угљеник је веома распрострањен у природи. Број познатих једињења угљеника је преко 10 пута већи од познатих једињења свих осталих елемената. Угљеник се у природи најчешће може наћи у облику неорганских карбонатних стена (око 2,8 · 1016 t). Карбонатне стене су веома распрострањене на Земљи и понегде формирају и целе планине. Једна од најпознатијих примера планина састављених из ових стена су Доломити у Италији. Најважнији карбонатни минерали су калцијум карбонат CaCO3 (са бројним модификацијама: кречњак, креда, мрамор), калцијум магнезијум карбонат CaCO3 · MgCO3 (доломит), гвожђе(II) карбонат FeCO3 и цинк карбонат ZnCO3.
Позната једињења угљеника су фосилна горива угаљ, нафта и земни плин. Она нису чисто угљеникова једињења, него мешавине многих различитих органских једињења. Она настају претварањем биљних (угаљ) и животињских (нафта и плин) остатака под великим притиском. Највећа налазишта угља налазе се у САД, Кини и Русији, а у Босни и Херцеговини већа налазишта угља се налазе у околини Бановића, Зенице, Какња, Санског Моста, Брезе, Живиница, Добоја (Станари), Угљевика, Гацка и других места. Најважније резерве нафте се налазе на Арапском полуострву (Ирак, Саудијска Арабија, Кувајт), Мексичком заливу и Северном мору. Нешто мање позната су налазишта чврстог метан хидрата у великим дубинама.
Угљеник се налази у атмосфери у облику угљен-диоксида (угљеник(-{IV}-) оксида). Он је саставни део ваздуха. У ваздуху има просечни удео од око 0,04%. Угљеник-диоксид настаје при сагоревању једињења који садрже угљеник, приликом дисања свих живих бића, вулканском активношћу и путем фотосинтезе биљака. Чак и у морској води растворено је око 0,01% -{CO}-2 (по масеном уделу).
У погледу количине највећи део угљеника налази се у саставу стена (литосфера). Сви остали облици угљеника чине само око 0,1% укупне количине угљеника на Земљи.
Стварање језгра атома угљеника захтева готово симултани троструки судар алфа честица (језгара хелијума) унутар средишта огромне звезде гиганта или супергиганта, у процесу познатим под називом троструки алфа процес, као производ даљњих реакција нуклеарне фузије хелијума са водоником или другом језгром хелија ствара се изотоп литијума -{Li}--5 и берилијума -{Be}--8, а оба су врло нестабилна и готово одмах се распадају назад у мања језгра. Ово се дешава у условима температуре изнад 100 мегакелвина и концентрације хелијума која се брзо шири и хлади што није било случај у раном свемиру, тако да не постоје докази да су се значајне количине угљеника креирале током Великог праска. Уместо тога, у унутрашњости звезда у хоризонталној равни -{H-R}- дијаграма трансформирају се три језгра атома хелијума у угљеник помоћу овог троструког алфа процеса. Да би угљеник био доступан за формирање живота каквог данас знамо, овај угљеник мора бити раширен у свемиру као прашина након експлозије супернова, као део материјала од којег се касније формира друга и трећа генерација звезданих система које имају присутне планете формиране од такве прашине. Сунчев систем је звездани систем треће генерације. Други механизам фузије који се одвија у звездама је -{CNO}- циклус, у којем угљеник делује као катализатор омогућавајући одвијање реакције.
Ротацијска транзиција различитих изотопских облика угљеник моноксида (на пример -{12CO, 13CO}- и -{C18O}-) се може открити у субмилиметарском распону таласних дужина и користи се у проучавању формирања нових звезда у молекуларним облацима.
Особине мини|лево|Фазни дијаграм угљеника При нормалном притиску и температурама испод 4000 -{K}- графит је термодинамички стабилнија модификација угљеника, што се види на фазном дијаграму. Због високе енергије активирања и дијамант је стабилан на собној температури, а тек на температури изнад 500 °C уочљиво се претвара у графит. Обрнута трансформација из графита у дијамант је могућа уз притисак од најмање 20.000 бара (2 -{GPa}-). За довољно брзу реакцију, температура би требало да буде изнад 1500 °C а притисак око 60.000 бара што одговара фазном дијаграму.
Угљеник има највећу отпорност на високе температуре од свих познатих материјала. Не топи се при нормалном притиску, него сублимира при температури од 3915 -{K}- (3642 °C), без претходног губљења чврстоће. Тројна тачка угљеника је на 10,8 ± 0,2 -{MPa}- и 4600 ± 300 -{K}-.
Угљеник је дијамагнетичан. Пиролитички издвојен графит има високу анизотропију у магнетском сусцептибилитету (паралелно: = −85 · 10−6, водоравно: = −450 · 10−6), насупрот њему дијамант је изотропан ( = −22 · 10−6).
Алотропске модификације
Овај четворовалентни неметал има неколико алотропских модификација. Дијамант је најтврђи познати минерал, код којег атоми угљеника праве -{sp}-3-хибридизацију са тетраедарским просторним распоредом. Сваки атом угљеника у дијаманту је повезан с четири друга угљеникова атома сигма везом, те је читав кристал један велики молекул.
Графит мини|levo|Алотропске модификације угљеника: графит и дијамант
Графит (једна од најмекших супстанци) има лиснату структуру. Сваки угљеников атом је повезан с три друга угљеникова атома. То значи да је присутна -{sp}-2-хибридизација и три хибрида леже у једној равни. Преостали π-електрон формира двоструку везу, те је присутна резонанција. Код графита је због тога свака од три везе нешто појачана, па је он стабилнији од дијаманта за енергију резонанције. Разлике у физичким особинама ове две модификације су екстремне. Атоми су распоређени у слојевима. Привлачења између слојева није тако јако као што је између атома у истом слоју. Зато слојеви клизе један преко другог, те је графит значајно мекши у односу на дијамант. Дијамант је један од најтврђих минерала, док је графит мека супстанца.
Дијамант Дијамант је најбољи проводник топлоте, док је графит изолатор. Дијамант је изразито транспарентан, а графит непрозиран. Графит је проводник електричне струје, док је дијамант изолатор.
Осим графита и дијаманта познате су још неке алотропске модификације, као нпр. фулерени.
Лонсдалеит Лонсдалеит, назван такође и хексагонални дијамант, јесте једна веома ретка модификација дијаманта. Име је добио по ирској кристалографкињи Катлин Лонсдејл, а пронађен је у Барингеровом кратеру у Аризони. Он настаје када се графит изложи одређеним екстремним условима, тј. веома високом притиску и температури који се дешавају на пример при удару метеора или астероида. При томе се задржава хексагонални карактер кристалне структуре графита, али за разлику од обичног графита сваки атом угљеника се веже ковалентном везом са још четири атома.
Аморфни угљеник Постоји више облика елементарног угљеника, под заједничким називом аморфни угљеник. Рентгенском анализом је утврђено да честице аморфног угљеника садрже графитну структуру, па због тога аморфни угљеник није посебна алотропска модификација. Главне врсте аморфног угљеника су: активни угаљ, минерални угаљ, кокс, чађ.
Пентаграфен Истраживачи на Универзитету Виргиниа Комонвеалт и универзитетима у Јапану и Кини направили су у аугусту 2014. нову структурну варијанту угљеника названу пентаграфен. Он се састоји из веома танких слојева чистог угљеника који има јединствену структуру, инспирисану пентагоналном шемом која подсећа на поплочане улицу у Каиру. Овај новооткривени материјал је динамички, термално и механички стабилан. Истраживања су показала да када се пентаграфен умота у облику ваљка, такве наноцеви поседују полупроводничке особине, без обзира на њихову хиралност. Очекује се да ће овај материјал наћи широку примену у наноелектроници и наномеханици.
Изотопи мини|лево|Циклус 14C
Угљеник има два стабилна изотопа: 12C и 13C. Изотоп 12C је далеко уобичајенији у природи и чини 98,9% природног угљеника, док на изотоп 13C отпада 1,1%. По дефиницији изотоп 12C је основа за јединицу атомске масе. Изотоп 13C се може детектирати у НМР спектроскопским испитивањима, јер има другачији магнетски моменат од 12C.
Осим ова два стабилна изотопа постоји још неколико нестабилних. Најпознатији нестабилни изотоп угљеника је 14C који има време полураспада од 5730 година. Он настаје природним распадањем 14N у горњим слојевима атмосфере.
Органски материјал, који учествује у угљениковом циклусу у природи, има исти удео 14C у односу на стабилне изотопе као и угљеник у атмосфери. Након завршетка размене материја, на пример при опадању лишћа са дрвета, овај однос се постепено смањује због радиоактивног распада. Мерењем односа количина изотопа 14C и стабилних изотопа могуће је тачно проценити старост предмета који је настао од органског материјала, што је познато као метода датирања угљеником -{C}--14, а нашла је примену у археологији.
Историја Рене Антоан Фершо де Реомир је 1772. показао да се гвожђе преводи у челик апсорпцијом супстанце, за коју се данас зна да је угљеник. Године 1772, Антоан Лавоазје је доказао да је дијамант форма угљеника, спаљивањем узорка угљеника и дијаманта, при чему је доказао да не настаје вода као продукт и да и један и други ослобађају исту количину угљен-диоксида по граму.
Карл Вилхелм Шиле је доказао да је графит, за који се мислило да је облик олова, у ствари облик угљеника. Године 1786, француски научници Клод Луј Бертоле, Гаспард Монг и Ц. А. Вандермонд показали су да је ова супстанца угљеник. Они су предложили име карбон за овај елемент (). Антоан Лавоазје увео је угљеник као хемијски елемент у својој књизи из 1789. године.
Употреба угљеника Дијамант се користи, због своје тврдоће, за обраду других материјала, стакла, као и другог драгог камења. Од њега се прави врх зубарске бушилице.
Графит се употребљава за производњу оловака, у машинству као мазиво за лежајеве и браве, у нуклеарној индустрији за изградњу нуклеарних реактора итд.
Лепши примерци дијаманта употребљавају се за израду скупоценог накита, а они мање лепи за израду алата за резање, бушење, брушење и полирање.
Фулерен се користи за подмазивање.