在自然界里，單質(zhì)炭有三種變體：金剛石、石墨及通常稱為炭的所謂無定形炭,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，無定形炭是非結(jié)晶形體，它們都是炭的同素異構(gòu)體。炭的三種不同形態(tài)的同素異構(gòu)體和它們形成時所經(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。例如：一些無定形炭在加熱到2000℃以上的高溫，就可以轉(zhuǎn)化為石墨，而石墨在極高的壓力和高溫下或通過金屬觸媒，又可以生成金剛石。石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的條件見表1-2。人們就是利用炭的這種存在形式及其轉(zhuǎn)化規(guī)律來生產(chǎn)金剛石的。

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

1.3.1 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、天藍色、藍色或紅色，有強烈的光澤。金剛石如圖1-2所示屬于等軸晶，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，每個炭原子都以共價鍵為周圍排列的四個炭原子結(jié)成具有四面體結(jié)構(gòu)的晶體，整個晶體是一個巨大的炭分子，要使其破裂， 必須折斷這些牢固的共價鍵。因此，金剛石在所有物質(zhì)中是最硬的，可用于制造鉆頭等。金剛石的炭原子所有的價電子彼此互相共享完全形成共價鍵而無自由電子，所以它幾乎不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能也很差，但他的析光率很高，經(jīng)琢磨可制成鉆石?，F(xiàn)在金剛石已能夠人工制造，但多為0.1～1毫米的小顆粒級。

 

 

金剛石是最典型的共價鍵晶體，其中每個碳原子通過sp3雜化軌道與相鄰的4個碳原子形成共價鍵，鍵長為1.5445×10-10m ，鍵間的夾角為109028’。金剛石為面心立方晶體，每個晶胞中含有 8 個碳原子，晶胞邊長α＝3.5597×10-10m ，理論密度等于3 .5362g/cm3。

1.3.2.石墨

石墨與金剛石相比，在晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上都有很大的不同，石墨是一種炭原子之間呈六角環(huán)形片狀體的多層疊合晶體。