Ein Element kann in verschiedenen Formen vorkommen, in denen die Atome unterschiedlich angeordnet sind. Man nennt sie Modifikationen. Zwei Modifikationen des Kohlenstoffs sind Diamant und Graphit.

Die Erklärung steckt im Bau. Im Diamant sind alle vier Valenzelektronen eines Atoms in Bindungen gebunden. Es gibt keine frei beweglichen Elektronen, also keinen Strom. Die Bindungen sind in jede Richtung gleich stark, daher die Härte. Im Graphit nutzt jedes Atom nur drei Elektronen für Bindungen. Das vierte bewegt sich frei in der Schicht, ähnlich wie im Metall. Zwischen den Schichten wirken nur schwache Kräfte, deshalb gleiten sie. Beim Schreiben bleiben Schichten am Papier hängen. Beide Stoffe bestehen aus denselben Atomen: Sie verbrennen vollständig zu Kohlenstoffdioxid, Diamant allerdings erst bei sehr hoher Temperatur.

Verbrennt Kohlenstoff mit reichlich Sauerstoff, nennt man das vollständige Verbrennung. Es entsteht Kohlenstoffdioxid: $\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2}$. Bei Sauerstoffmangel läuft eine unvollständige Verbrennung ab. Es entsteht Kohlenstoffmonooxid, und bei kohlenstoffhaltigen Brennstoffen auch Ruß, das ist fein verteilter Kohlenstoff: $2\,\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{CO}$.

Das Kohlenstoffmonooxid kann mit weiterem Sauerstoff weiterbrennen, mit blauer Flamme: $2\,\mathrm{CO} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2}$. Die unvollständige Verbrennung setzt weniger Energie frei, denn ein Teil der Energie steckt noch im CO. Eine gelbe, rußende Flamme zeigt Sauerstoffmangel, die blaue Flamme am Gasbrenner genug Luft.
Mit Oxidationszahlen gesehen wird der Kohlenstoff in zwei Stufen oxidiert: von 0 über $+\mathrm{II}$ im CO bis $+\mathrm{IV}$ im $\mathrm{CO_2}$.

Kohlenstoffmonooxid (CO) ist farblos und geruchlos, brennbar und sehr giftig. Es verbindet sich im Blut mit dem roten Blutfarbstoff, der sonst den Sauerstoff transportiert, und zwar viel fester als Sauerstoff. Das Blut kann dann kaum noch Sauerstoff zu den Organen bringen. Weil man CO weder sieht noch riecht, merkt man es nicht. Schwindel und Kopfschmerz sind erste Anzeichen.

Ursachen sind unvollständige Verbrennungen: ein Holzkohlegrill im Zimmer, eine schlecht gewartete Gasheizung, Motorabgase in einer geschlossenen Garage. Schutz: Räume lüften, Grill nur im Freien, Heizungen warten lassen, CO-Warnmelder einsetzen. In der Technik ist CO als Reduktionsmittel nützlich: Im Hochofen entzieht es dem Eisenoxid den Sauerstoff.

Kohlenstoffdioxid ($\mathrm{CO_2}$) ist farblos, geruchlos und brennt nicht. Es ist schwerer als Luft, etwa 1,5-mal so dicht, denn $M(\mathrm{CO_2}) = 44\,\mathrm{g/mol}$ und Luft hat im Mittel etwa 29 g/mol. Es sammelt sich deshalb in Mulden und Kellern. Es löst sich teilweise in Wasser und bildet Kohlensäure, wie in Sprudelwasser. Kohlenstoffdioxid löscht Flammen. Giftig ist es nicht, in hoher Konzentration aber gefährlich, weil es den Sauerstoff verdrängt. Die Ausatemluft enthält etwa 4 % davon.

Der Nachweis gelingt mit Kalkwasser, einer Lösung von Calciumhydroxid. Leitest du das Gas ein, wird sie milchig trüb: $\mathrm{Ca(OH)_2} + \mathrm{CO_2} \rightarrow \mathrm{CaCO_3}\downarrow + \mathrm{H_2O}$. Der Niederschlag ist Calciumcarbonat. Leitest du viel länger Gas ein, wird die Lösung wieder klar, weil sich lösliches Calciumhydrogencarbonat bildet.

Kalkstein besteht aus Calciumcarbonat, $\mathrm{CaCO_3}$. Auch Marmor und Muschelschalen sind Calciumcarbonat. Beim Kalkbrennen erhitzt man Kalkstein auf etwa 900 °C. Er zerfällt in Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid. Das Calciumoxid heißt gebrannter Kalk. Es ist keine Verbrennung, denn Sauerstoff ist nicht beteiligt.

Gibt man Wasser zu gebranntem Kalk, entsteht Calciumhydroxid, der gelöschte Kalk. Die Reaktion setzt viel Wärme frei, das Wasser kann spritzen, und der Stoff ätzt: Schutzbrille und Handschuhe sind Pflicht. Mit Sand und Wasser ergibt gelöschter Kalk Mörtel. Der Mörtel härtet, weil er Kohlenstoffdioxid aus der Luft aufnimmt und wieder zu Calciumcarbonat wird. So schließt sich der Kalkkreislauf: