在自然界里，單質(zhì)碳有三種變體:金剛石、石墨以及無定形碳。另外還有富勒烯和碳納米管人造單質(zhì)碳。金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)屬結(jié)晶形體，無定形碳是非結(jié)晶形體，它們都是炭的同素異構(gòu)體。碳的三種不同形態(tài)的同素異構(gòu)體和它們形成時(shí)所經(jīng)受的壓力與溫度有密切關(guān)系，由于形成的壓力與溫度不同，同樣的碳元素，可以生成不同形態(tài)和不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，而且在一定條件下又可以轉(zhuǎn)化。

金剛石、石墨和無定形碳這三種同素異構(gòu)體，由于在物理化學(xué)性質(zhì)上存在著許多差異且所有從煤、石油產(chǎn)品及其他有機(jī)化合物制取的炭素材料在石墨化前，大多是無定形碳，因此，下面就對金剛石、石墨和煤炭的不同性質(zhì)作介紹。

金剛石：金剛石的外觀無色透明，通常因所含雜質(zhì)元素的不同而呈淡黃色、天藍(lán)色、藍(lán)色或紅色，有強(qiáng)烈的光澤，屬于等軸晶，常呈八面體。也有其他形狀，它的晶體外觀十分規(guī)整。由于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子都以共價(jià)鍵與周圍排列,4個(gè)碳原子結(jié)成具有四面體結(jié)構(gòu)的晶體，整個(gè)晶體是一個(gè)巨大的分子，要使其破裂，必須使這些牢固的共價(jià)鍵斷開。因此，金剛石在所有物質(zhì)中是最硬的，可用于制造鉆頭等。金剛石的碳原子的價(jià)電子彼此共享，完全形成共價(jià)鍵而無自由電子，所以幾乎不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能也很差，但它的折光率很高，經(jīng)琢磨可制成鉆石。

石墨：石墨與金剛石相比，在晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上都是不同的，它是一種碳原子之間呈六角環(huán)形片狀體的多層疊合晶體。石墨有天然石墨和人造石墨兩種。石墨具有良好的導(dǎo)電性，雖然石墨的導(dǎo)電性不能與銅鋁金屬相比,但與其他非金屬材料相比,石墨的導(dǎo)電性是相當(dāng)高的,石墨的導(dǎo)熱性甚至超過了鐵、銅、鋁等金屬材料,石墨又有很好的耐腐蝕性，無論是有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑，都不能溶解它。在常溫下,各種酸和堿與石墨都不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是在500℃以上的溫度時(shí)，才與硝酸或氧氣以及強(qiáng)氧化介質(zhì)等起反應(yīng)。

無定形碳：煤炭是泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤等的統(tǒng)稱。煤炭是幾百萬年以前的古代植物在地殼變動(dòng)時(shí)被埋在地下，受到一定的溫度壓力炭化而形成的。各種煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，因此，泥煤中含有大量的揮發(fā)物，結(jié)構(gòu)疏松，無煙煤炭化程度較高,所以無煙煤的揮發(fā)物含量較少，密度與強(qiáng)度都比較高。