純凈的金剛石是無色透明、正八面體形狀的固體；石墨是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細鱗片狀固體。石墨很軟，在紙上畫過可留下痕跡，有滑膩感。金剛石和石墨“形”或“性”有著天壤之別，但它們具有相同的“質”，它們是一對“孿生”兄弟，都由碳元素組成，被稱為“同素異構體”。

       金剛石和石墨這對孿生兄弟，個性完全不同。石墨外表黝黑，質地軟得一折就斷。相反，金剛石外表光澤燦爛奪目，是世界上最硬的物質。金剛石可以用來切割玻璃、做鉆頭，因為它的硬度很大；石墨可以用來做鉛筆芯、潤滑劑，這是因為它很軟、有滑膩感。按照莫氏硬度標準，金剛石為最高級。
       為什么金剛石和石墨的差異如此大？
       原因就在于它們自身的結構不一樣。在石墨和金剛石中，碳原子的結合方式及排列方式各不相同。在化學世界里，一種元素若擁有幾種不同的晶體結構，這種現象就稱為“同素異構”，正因晶體結構不同，其物理性質或化學性質也會有所不同，比如會具有不同的顏色、密度、硬度、溶解度，以及在化學反應上表現不同的本領等。
       石墨的結構呈層狀排列，像千層糕一樣，一層層迭加起來，就一個片層而言，碳以六邊形連結成平面網，每1個碳原子會與其周圍的3個碳原子通過強烈的相互作用緊密結合，“緊密結合”的兩個碳原子之間的距離約為0.142nm（即六邊形的每邊之長）。碳原子和碳原子間的結合力，是靠相互貢獻來的電子（共用電子）對所形成的。共用電子對把兩個碳原子結合的很牢固，我們把這共用電子對所形成的束縛力稱為“共價鍵”。
       而各個平行層與層之間的距離為0.335nm，幾乎兩倍于每平面層中兩個碳原子間的距離，正因如此，層與層之間的結合力較弱。而層與層之間的結合力，是由各碳原子提供一個電子在每一平面層上自由移動所形成的，這些運動的電子并沒有把碳原子連結得很牢固，容易散開來，故這種結合力又稱為“金屬鍵”。因此很容易沿著與層面平行的方向滑動、裂解，所以石墨很軟、有滑膩感。
       也由于電子可以在層與層之間自由移動，所以石墨可以導電。因此，石墨本身結構的最大特點，就是由牢固的共價鍵和不牢固的金屬鍵之雙重鍵型所組成的。如此一來，使得石墨的層與層之間容易滑動，甚至斷開，而使石墨的質地變得很柔軟。但是，由于同一平面層上的碳原子間結合力很強（共價鍵之故），極難破壞，所以石墨的熔點較金剛石高，且化學性質也較穩定。石墨的晶體結構也決定著它的物理特性。

石墨的結構模型

       對于一個單晶體而言，石墨可看作是一個二維的金屬。也就是說，石墨晶體中由于有兩種不同的結合力，使得其晶體層的平行方向和垂直方向的導電性及導熱性產生了差異，這種現象稱之為“各向異性”。根據研究指出，其兩個方向性能的數值比為3:1~4:1。但由于一般石墨的晶體分布甚為雜亂，因而整體來看，就顯不出很大的方向性。
       金剛石就不一樣了。每個金剛石的晶胞（構成金剛石的最小單位，猶如生物組織的細胞）中有四個碳原子，各個碳原子分布在正四面體的四個頂角上，且碳原子和碳原子之間是以牢固的共價鍵相連接。許許多多這樣大小、形狀相同的晶胞，有規則地緊密連接在一起。且在金剛石晶體中，每個碳原子與它鄰近的四個共價碳原子通過強烈的相互作用緊密結合。“緊密結合”的兩個碳原子之間的距離約為0.155nm，從而形成致密的三維結構。這樣排列的碳原子具有很高的結合能，因為各碳原子間的距離相等，使得金剛石晶體具有無隙可乘的結構，擁有最高的力學強度，因而使得金剛石成為天然存在的最堅硬的物質。

金剛石的結構模型

       此外，金剛石和石墨相比，結構更為致密。金剛石的密度大約是石墨的1.5倍左右（金剛石的密度約為3.5-3.53g/cm3，石墨的密度約為2.09–2.23g/cm3），可見碳原子在金剛石里要比在石墨中密實許多。從上述介紹中，我們可以清楚地了解到，物質的硬度取決于他們原子之間的鍵結方向和鍵能強度。
       相對于石墨的導電性，金剛石不導電是因為金剛石中每個碳原子與其周圍的4個碳原子通過“共用電子對”形成強烈的相互作用，碳原子最外層的4個電子幾乎都參與了這種“力”的形成，基本沒有自由電子，所以基本不導電。
       前面所述石墨的熔點較金剛石高，但是二者的沸點卻相同，這又是為什么呢？物質的物態變化與微粒間的距離是有一定關系的。石墨和金剛石熔化以后，碳原子原來的排列方式被打破，原子間的距離相等，相互作用強度也相同，所以沸點相同。

       所以，透過現象看本質，結構決定性質，金剛石和石墨都由碳原子構成，但因為原子排列方式不同，導致很多物理性質有很大差異。