Hiiliyhdisteiden ylivoimainen runsaus kaikkiin muihin yhdisteisiin verrattuna johtuu hiiliatomien ominaisuudesta muodostaa pitkiä ketjuja. Ketjut voivat haarautua, verkostoitua ja muodostaa renkaita. Ne voivat edelleen haaroittua ja kytkeytyä yhteen monin eri tavoin. Hiiliatomien väliset sidokset voivat olla yhden-, kahden- tai kolminkertaisia. Vielä kun otetaan huomioon se, että orgaanisissa yhdisteissä hiiliatomeihin liittyy usein myös vetyä (N), happea (O), typpeä (N) ja rikkiä (S), niin erilaisten yhdistelmien lukumäärä on tähtitieteellinen.

Esimerkiksi kuvassa oikealla on kofeiinimolekyyli, jossa on hiilen lisäksi vetyä, happea ja typpeä.

Hiiliatomien järjestäytyessä säännölliseen rakenteeseen muodostuu olosuhteiden mukaan erilaisia kolmiulotteisia muotoja, kuten grafiittia, timanttia tai fullereenia.

Grafiitti

Grafiitti on pehmeää ja mustaa ainetta. Grafiitissa hiiliatomit ovat liittyneet yhteen kuuden hiiliatomin muodostamiksi renkaiksi siten, että jokainen hiiliatomi liittyy kolmeen muuhun hiiliatomiin. Näin muodostuu kuusikulmaisten renkaiden muodostama tasorakennelma. Tasot ovat vain heikosti toisiinsa sitoutuneita ja liukuvat helposti toistensa ohi. Tämän vuoksi grafiittia käytetään monissa voiteluaineissa. Lyijykynän "lyijy" on valmistettu grafiitista.




Grafiitti

Timantti

Timantissa jokainen hiiliatomi on liittynyt neljään muuhun hiiliatomiin. Tällöin muodostuu erittäin kestävä timanttirakenne. Timantti on kovinta tunnetuista aineista. Timantti on väritöntä ja voimakkaasti valoa taittavaa, toisin kuin muut hiilen rakennemuodot. Timantin oletetaan syntyneen luonnossa grafiitista erittäin korkeassa paineessa ja lämpötilassa.




Timantti

Hiilen nanorakenteita

Fullereenissa hiiliatomit muodostavat viiden ja kuuden hiiliatomin renkaita, jotka ovat liittyneet yhteen pallomaiseksi rakenteeksi. Yleisin on 60 hiiliatomin muodostama jalkapalloa muistuttava molekyyli. Fullereenien kemialliset ominaisuudet kiinnostavat suuresti tutkijoita. Pallon sisään voidaan sijoittaa esimerkiksi lääkeainetta, joka vapautuu tietyssä paikassa elimistössä.



Vasemmalla fullereenimalli ja oikealla kiinteitä fullereenikiteitä eli fulleriittiä. Kuva on otettu elektronimikroskoopilla.

Fulleriini


Fullereeneja muokkaamalla valmistetaan sähköä johtavia nanoputkia. Niiden arvioidaan olevan jopa satoja kertoja terästä lujempia.

Oikealla elektronimikroskooppikuva nanoputkista.

Nanoputki