Cacbon cú ba dạng thự hỡnh là kim cương, graphit, fulleren, trong đú kim cương cú cấu trỳc chắc đặc và bền vững nhất. Trong kim cương, cỏc nguyờn tử cacbon ở trạng thỏi lai hoỏ sp3 liờn kết cộng hoỏ trị bền vững với 4 nguyờn tử cacbon khỏc tạo thành mạng lưới khụng gian ba chiều tinh thể thuộc hệ lập phương. Hai dạng thự hỡnh cũn lại là graphit và fulleren cú cấu trỳc rất mở, chứa cỏc khe rónh, hốc trống... cho phộp cỏc nguyờn tử, ion khỏc đi vào dễ dàng theo kiểu phản ứng xõm nhập để tạo thành chất rắn mới. Ba obitan lai hoỏ sp2 của cacbon trong graphit, fulleren tạo liờn kết cộng hoỏ trị với 3 nguyờn tử cacbon khỏc trờn cựng một mặt, cũn một obitan p chưa lai hoỏ tạo thành một hệ electron π phõn bố về cả hai phớa của mặt đú.
Cấu trỳc lớp của graphit cho phộp cỏc nguyờn tử, ion lạ xõm nhập vào một cỏch dễ dàng tạo thành nhiều loại hợp chất mới cú cỏc tớnh chất đặc biệt. Chất xõm nhập cú thể là ỏ kim, kim loại, muối...
Vớ dụ cỏc phản ứng sau:
Graphit C3,6F ữ C4F (florua graphit màu đen)
Graphit CF0,68ữ CF (florua graphit màu đen) Graphit + Br2 C8Br
HF/F2 25oC
HF/F2
Graphit + K C8K (màu đồng thau) (dạng núng chảy hoặc hơi)
C8K chân không C24K C36K C48K C60K (màu thộp xanh)
Graphit + H2SO4(đặc) C (HSO )24+ 4− . 2H2SO4 + H2
Graphit + FeCl3 hợp chất của graphit với FeCl3
Cỏc phản ứng trờn đõy phần lớn là phản ứng thuận nghịch. Như graphit phản ứng với kali núng chảy tạo thành hợp chất C8K. Để C8K trong chõn khụng một thời gian thỡ sẽ phõn huỷ thành cỏc cấu tử. Điều đú cú nghĩa là phản ứng dễ dàng chuyển dịch theo chiều thuận cũng như theo chiều nghịch và cấu trỳc lớp của graphit khi tạo thành hợp chất xõm nhập khụng bị thay đổi đỏng kể. Vớ dụ 1, khoảng cỏch giữa cỏc lớp của graphit là 3,35 Å, khi kali xõm nhập vào để tạo thành C8K thỡ khoảng cỏch đú tăng lờn đến 5,41 Å, khi flo xõm nhập vào cũn làm cho khoảng cỏch đú tăng lờn hơn nữa như trong C4F là 5,5 Å trong CF là 6,6 Å.
(a) A1 A3 B1 B3 C2 Mặt 1 Mặt 2 Mặt 3 3,35Ao (b) cacbon kali Hỡnh 25. (a) Cấu trỳc của graphit
(b) hợp chất xõm nhập kali trong graphit C8K
Cấu trỳc của nhiều hợp chất xõm nhập trong graphit cũn chưa biết đầy đủ. Hỡnh 25 giới thiệu cấu trỳc của C8K.
Nguyờn tử A1 của mặt 1 nối với nguyờn tử A3 của mặt 3 đi qua tõm của lục giỏc ở lớp 2. Cũng vậy nối B1 và B3 sẽđi qua tõm lục giỏc lớp 2. Nguyờn tử C2ở lớp 2 nằm trờn đường nối tõm của lớp 1 và lớp 3.
Trong graphit ban đầu cú vị trớ tương đối của cỏc lớp sao cho nguyờn tử cacbon của lớp này nằm vào vị trớ tõm lục giỏc của hai lớp bờn cạnh, nghĩa là thứ tự luõn phiờn của cỏc lớp là ABAB (chu kỳ lặp lại là 2). Khi nguyờn tử kali xõm nhập vào giữa cỏc lớp thỡ cú sự chuyển dịch cỏc lớp lại làm cho vị trớ cacbon ở cỏc lớp trựng nhau theo trục C, nghĩa là thứ tự luõn phiờn bõy giờ là A.A.A... (chu kỳ lặp lại là 1, nguyờn tử cacbon ở cỏc lớp khỏc nhau được sắp xếp trờn cựng một đường thẳng trục C). Nguyờn tử K nằm ở vị trớ tõm của hai lục giỏc của hai lớp cạnh nhau. Số phối trớ của K là 12. Nếu tất cả cỏc vị trớ tõm lục giỏc đều cú kali thỡ cụng thức của hợp chất là C2K nhưng ởđõy chỉ cú 1/4 vị trớ chứa kali nờn cụng thức là C8K. Trong C8K cú sự chuyển dịch electron từ kali cho cacbon do đú tạo nờn cấu trỳc phõn cực C K .8− + Ở đõy graphit là chất nhận cũn kali là chất cho. Trong hợp chất xõm nhập C8Br thỡ graphit lại là chất cho cũn brụm là chất nhận C Br .8+ − Cacbon trong cỏc hợp chất xõm nhập khi thỡ đúng vai trũ chất cho khi thỡ đúng vai trũ chất nhận nờn vựng dẫn của hợp chất xõm nhập graphit chỉ được lấp đầy 1/2 mức năng lượng. Bởi vậy C8K, C8Br... đều là chất bỏn dẫn tốt.