在自然界里，单质炭有三种变体：金刚石、石墨及通常称为炭的所谓无定形炭,另外还有富勒烯和碳纳米管人造单质碳。金刚石和石墨的结构属结晶形体，无定形炭是非结晶形体，它们都是炭的同素异构体。炭的三种不同形态的同素异构体和它们形成时所经受的压力与温度有密切关系，由于形成的压力与温度不同，同样的碳元素，可以生成不同形态和不同结构的物质，而且在一定条件下又可以转化。例如：一些无定形炭在加热到2000℃以上的高温，就可以转化为石墨，而石墨在极高的压力和高温下或通过金属触媒，又可以生成金刚石。石墨转化为金刚石的条件见表1-2。人们就是利用炭的这种存在形式及其转化规律来生产金刚石的。

金刚石、石墨和无定形炭这三种同素异构体，由于它们在物理化学性质上存在着许多差异，且所有从煤、石油产品及其他有机化合物制取的炭素材料，在石墨化前，大多是无定形炭，因此，下面就对金刚石、石墨和煤炭的不同性质作以下介绍：

1.3.1 金刚石金刚石的外观无色透明，通常因所含杂质元素的不同而呈淡黄色、天蓝色、蓝色或红色，有强烈的光泽。金刚石如图1-2所示属于等轴晶，常呈八面体。也有其他形状，它的晶体外观十分规整。由于金刚石的晶体结构中，每个炭原子都以共价键为周围排列的四个炭原子结成具有四面体结构的晶体，整个晶体是一个巨大的炭分子，要使其破裂， 必须折断这些牢固的共价键。因此，金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金刚石的炭原子所有的价电子彼此互相共享完全形成共价键而无自由电子，所以它几乎不导电，导热性能也很差，但他的析光率很高，经琢磨可制成钻石。现在金刚石已能够人工制造，但多为0.1～1毫米的小颗粒级。

 

 

金刚石是最典型的共价键晶体，其中每个碳原子通过sp3杂化轨道与相邻的4个碳原子形成共价键，键长为1.5445×10-10m ，键间的夹角为109028’。金刚石为面心立方晶体，每个晶胞中含有 8 个碳原子，晶胞边长α＝3.5597×10-10m ，理论密度等于3 .5362g/cm3。

1.3.2.石墨

石墨与金刚石相比，在晶体结构和性质上都有很大的不同，石墨是一种炭原子之间呈六角环形片状体的多层叠合晶体。