Je nekovový a čtyřvazný — díky čemuž jsou k dispozici čtyři elektrony pro vytvoření kovalentních chemických vazeb . Patří do skupiny 14 periodické tabulky. Uhlík tvoří jen asi 0,025 procenta zemské kůry. Přirozeně se vyskytují tři izotopy , 12C a 13C jsou stabilní, zatímco 14C je radionuklid , rozkládající se s poločasem rozpadu asi 5 730 let. Uhlík je jedním z mála prvků známých již od starověku .

Uhlík je 15. nejhojnější prvek v zemské kůře a čtvrtý nejrozšířenější prvek ve vesmíru podle hmotnosti po vodíku , heliu a kyslíku . Hojnost uhlíku, jeho jedinečná rozmanitost organických sloučenin a jeho neobvyklá schopnost tvořit polymery při teplotách běžně se vyskytujících na Zemi umožňuje tomuto prvku sloužit jako společný prvek veškerého známého života . Je to druhý nejrozšířenější prvek v lidském těle podle hmotnosti (asi 18,5 %) po kyslíku.

Atomy uhlíku se mohou spojovat různými způsoby, což má za následek různé allotropy uhlíku . Mezi známé allotropy patří grafit , diamant , amorfní uhlík a fullereny . Fyzikální vlastnosti uhlíku se značně liší podle alotropní formy. Například grafit je neprůhledný a černý, zatímco diamant je vysoce průhledný . Grafit je dostatečně měkký, aby vytvořil pruh na papíře (odtud jeho název, z řeckého slovesa „γράφειν“, což znamená „psát“), zatímco diamant je nejtvrdší známý přirozeně se vyskytující materiál. Grafit je dobrý elektrický vodičzatímco diamant má nízkou elektrickou vodivost . Za normálních podmínek mají diamant, uhlíkové nanotrubice a grafen nejvyšší tepelnou vodivost ze všech známých materiálů . Všechny uhlíkové allotropy jsou za normálních podmínek pevné látky, přičemž grafit je termodynamicky nejstabilnější formou při standardní teplotě a tlaku. Jsou chemicky odolné a vyžadují vysokou teplotu, aby reagovaly i s kyslíkem.

Nejběžnější oxidační stav uhlíku v anorganických součeninách je +4, zatímco +2 se nachází v oxidu uhelnatém a karbonylových komplexech přechodných kovů . Největšími zdroji anorganického uhlíku jsou váence , dolomity a oxid uhličitý , ale významná množství se vyskytují v organických ložiscích uhlí , rašeliny , ropy a klatrátů metanu . Uhlík tvoří obrovské množství sloučenin , více než kterýkoli jiný prvek, s téměř deseti miliony sloučenin dosud popsaných, a přesto je toto číslo jen zlomkem počtu teoreticky možných sloučenin za standardních podmínek. Z tohoto důvodu byl uhlík často označován jako „král prvků“.

Alotropy uhlíku zahrnují grafit , jednu z nejměkčích známých látek, a diamant , nejtvrdší přirozeně se vyskytující látku. Snadno se váže s jinými malými atomy , včetně jiných atomů uhlíku, a je schopen tvořit více stabilních kovalentních vazeb s vhodnými vícemocnými atomy. Je známo, že uhlík tvoří téměř deset milionů sloučenin, což je velká většina všech chemických sloučenin . Uhlík má také nejvyšší bod sublimace ze všech prvků. Při atmosférickém tlaku nemá bod tání, jako jeho trojný bodje při 10,8 ± 0,2 megapascalů (106,6 ± 2,0 atm; 1 566 ± 29 psi) a 4 600 ± 300 K (4 330 ± 300 °C; 7 820 ± 540 °F), tak sublimes atm. 3630 °C; 6560 °F). Grafit je za standardních podmínek mnohem reaktivnější než diamant, přestože je termodynamicky stabilnější, protože jeho delokalizovaný pí systém je mnohem zranitelnější vůči útoku. Například grafit lze oxidovat horkou koncentrovanou kyselinou dusičnou za standardních podmínek na kyselinu mellitovou , C ₆ (CO ₂ H) ₆ , která zachovává hexagonální jednotky grafitu a rozbíjí větší strukturu.

Uhlík sublimuje v uhlíkovém oblouku, který má teplotu asi 5800 K (5530 °C nebo 9980 °F). Bez ohledu na svou alotropní formu tedy uhlík zůstává pevný při vyšších teplotách než kovy s nejvyšší teplotou tání, jako je wolfram nebo rhenium . Ačkoli je uhlík termodynamicky náchylný k oxidaci , odolává oxidaci účinněji než prvky jako železo a měď , které jsou při pokojové teplotě slabšími redukčními činidly.

Uhlík je šestý prvek s elektronovou konfigurací základního stavu 1s ² 2s ² 2p ² , z nichž čtyři vnější elektrony jsou valenční elektrony . Jeho první čtyři ionizační energie, 1086,5, 2352,6, 4620,5 a 6222,7 kJ/mol, jsou mnohem vyšší než u těžších prvků skupiny 14. Elektronegativita uhlíku je 2,5, výrazně vyšší než u těžších prvků skupiny 14 (1,8–1,9), ale blíží se většině blízkých nekovů a také některým přechodným kovům druhé a třetí řady . Kovalentní poloměry uhlíkujsou normálně brány jako 77,2 pm (C-C), 66,7 pm (C=C) a 60,3 pm (C≡C), i když se mohou lišit v závislosti na koordinačním čísle a na tom, k čemu je uhlík vázán. Obecně se kovalentní poloměr zmenšuje s nižším koordinačním číslem a vyšším řádem vazby.

Sloučeniny na bázi uhlíku tvoří základ veškerého známého života na Zemi a cyklus uhlík-dusík poskytuje část energie produkované Sluncem a jinými hvězdami . Ačkoli tvoří neobyčejnou rozmanitost sloučenin, většina forem uhlíku je za normálních podmínek poměrně nereaktivní. Při standardní teplotě a tlaku odolává všem oxidantům kromě nejsilnějších. Nereaguje s kyselinou sírovou, chlorovodíkovou, chlorem ani žádnými zásadami .