在自然界里，单质碳有三种变体:金刚石、石墨以及无定形碳。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，无定形碳是非结晶形体，它们都是炭的同素异构体。碳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。

金刚石、石墨和无定形碳这三种同素异构体，由于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，大多是无定形碳，因此，下面就对金刚石、石墨和煤炭的不同性质作介绍。

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，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，每个碳原子都以共价键与周围排列,4个碳原子结成具有四面体结构的晶体，整个晶体是一个巨大的分子，要使其破裂，必须使这些牢固的共价键断开。因此，金刚石在所有物质中是最硬的，可用于制造钻头等。金刚石的碳原子的价电子彼此共享，完全形成共价键而无自由电子，所以几乎不导电，导热性能也很差，但它的折光率很高，经琢磨可制成钻石。

石墨：石墨与金刚石相比，在晶体结构和性质上都是不同的，它是一种碳原子之间呈六角环形片状体的多层叠合晶体。石墨有天然石墨和人造石墨两种。石墨具有良好的导电性，虽然石墨的导电性不能与铜铝金属相比,但与其他非金属材料相比,石墨的导电性是相当高的,石墨的导热性甚至超过了铁、铜、铝等金属材料,石墨又有很好的耐腐蚀性，无论是有机溶剂或无机溶剂，都不能溶解它。在常温下,各种酸和碱与石墨都不能发生化学反应，只是在500℃以上的温度时，才与硝酸或氧气以及强氧化介质等起反应。

无定形碳：煤炭是泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤等的统称。煤炭是几百万年以前的古代植物在地壳变动时被埋在地下，受到一定的温度压力炭化而形成的。各种煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，因此，泥煤中含有大量的挥发物，结构疏松，无烟煤炭化程度较高,所以无烟煤的挥发物含量较少，密度与强度都比较高。