碳有三种同素异形体,即金刚石、石墨和无定形碳.无定形碳有炭黑、木炭、焦炭、骨炭、活性炭等.统称黑碳.这三种同素异形体的物理性质差别很大.但在氧气里燃烧后的产物都是二氧化碳.
1.金刚石的晶体结构
金刚石是典型的原子晶体,在这种晶体中的基本结构粒子是碳原子.每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价单键,键长为1.55×10-10 m,键角为109°28′,构成正四面体.每个碳原子位于正四面体的中心,周围四个碳原子位于四个顶点上,在空间构成连续的、坚固的骨架结构.因此,可以把整个晶体看成一个巨大的分子.由于C—C键的键能大(为347 kJ/mol),价电子都参与了共价键的形成,使得晶体中没有自由电子,所以金刚石是自然界中最坚硬的固体,熔点高达3 550 ℃,并且不导电.
2.石墨的晶体结构
石墨晶体是属于混合键型的晶体.石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合,形成正六角形蜂巢状的平面层状结构,而每个碳原子还有一个2p轨道,其中有一个2p电子.这些p轨道又都互相平行,并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面,形成了大π键.因而这些π电子可以在整个碳原子平面上活动,类似金属键的性质.而平面结构的层与层之间则依靠分子间作用力(范德华力)结合起来,形成石墨晶体.石墨有金属光泽,在层平面方向有很好的导电性质.由于层间的分子间作用力弱,因此石墨晶体的层与层之间容易滑动,工业上用石墨作固体润滑剂.
3.无定形碳
所谓无定形碳是指其内部结构而言.实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体,而是具有和石墨一样结构的晶体,只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱而不规则,晶体形成有缺陷,而且晶粒微小,含有少量杂质.
无定形碳包括：
炭黑 木炭 焦炭 活性炭 骨炭 糖炭
无定形碳跟少量砂子、氧化铁催化剂混合,在约3500℃中加热,使产生的碳蒸气凝聚,可得人造石墨.