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탄소는 수많은 화합물을 만든다. 실제로 탄소 화합물은 매우 많고 복잡하며 중요하기 때문에 탄소 화합물에 대한 연구를 유기화학이라는 화학의 특수 분야로 취급한다. 유기화학(organic chemistry)이라는 용어는 19세기 당시 알려진 탄소 화합물이 생체 내에서 유래된 사실에서 비롯되었다.

탄소는 수소·산소·질소 및 소수의 다른 원소와 결합해 화합물을 만드는데, 이 화합물은 생체 내에 존재하는 물질의 약 18％를 구성하고 있다. 유기체가 탄소를 소비하고 다시 외부로 방출하는 과정을 탄소순환이라고 한다(→ 탄소순환). 탄소는 지구 대기 부피의 3％를 차지하는 이산화탄소로 존재하며 모든 천연수에 녹아 있다. 또한 탄소는 지각에서 대리석·석회암·백악과 같은 암석에서 탄산염의 형태와 탄수화물(석탄, 석유, 천연 가스의 주요성분)로 산출된다.

상온에서 탄소는 반응성이 없으며(산화되지 않음), 산이나 알칼리와 반응하지 않는다. 고온에서 황 증기와 결합해 이황화탄소가 되며, 규소 및 특정 금속과 결합해 탄화물이 된다. 산소와 결합하면 산화물이 되는데, 이중 가장 중요한 화합물은 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO₂)이다.

고온에서 탄소는 금속 화합물에 존재하는 산소와 쉽게 결합하기 때문에, 코크스(탄소의 값싼 형태)는 철이나 아연과 같은 금속의 산화물 광석을 환원(산소 제거)시키는 야금공정에 대량으로 쓰인다.