純凈的金剛石是無(wú)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(xì)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(zhì)”，它們是一對(duì)“孿生”兄弟，都由碳元素組成，被稱為“同素異構(gòu)體”。

       金剛石和石墨這對(duì)孿生兄弟，個(gè)性完全不同。石墨外表黝黑，質(zhì)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(zhì)。金剛石可以用來(lái)切割玻璃、做鉆頭，因?yàn)樗挠捕群艽?；石墨可以用?lái)做鉛筆芯、潤(rùn)滑劑，這是因?yàn)樗苘洝⒂谢伕?。按照莫氏硬度?biāo)準(zhǔn)，金剛石為最高級(jí)。
       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(jié)構(gòu)不一樣。在石墨和金剛石中，碳原子的結(jié)合方式及排列方式各不相同。在化學(xué)世界里，一種元素若擁有幾種不同的晶體結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象就稱為“同素異構(gòu)”，正因晶體結(jié)構(gòu)不同，其物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)也會(huì)有所不同，比如會(huì)具有不同的顏色、密度、硬度、溶解度，以及在化學(xué)反應(yīng)上表現(xiàn)不同的本領(lǐng)等。
       石墨的結(jié)構(gòu)呈層狀排列，像千層糕一樣，一層層迭加起來(lái)，就一個(gè)片層而言，碳以六邊形連結(jié)成平面網(wǎng)，每1個(gè)碳原子會(huì)與其周圍的3個(gè)碳原子通過強(qiáng)烈的相互作用緊密結(jié)合，“緊密結(jié)合”的兩個(gè)碳原子之間的距離約為0.142nm（即六邊形的每邊之長(zhǎng)）。碳原子和碳原子間的結(jié)合力，是靠相互貢獻(xiàn)來(lái)的電子（共用電子）對(duì)所形成的。共用電子對(duì)把兩個(gè)碳原子結(jié)合的很牢固，我們把這共用電子對(duì)所形成的束縛力稱為“共價(jià)鍵”。
       而各個(gè)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(gè)碳原子間的距離，正因如此，層與層之間的結(jié)合力較弱。而層與層之間的結(jié)合力，是由各碳原子提供一個(gè)電子在每一平面層上自由移動(dòng)所形成的，這些運(yùn)動(dòng)的電子并沒有把碳原子連結(jié)得很牢固，容易散開來(lái)，故這種結(jié)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(dòng)、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(dòng)，所以石墨可以導(dǎo)電。因此，石墨本身結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)，就是由牢固的共價(jià)鍵和不牢固的金屬鍵之雙重鍵型所組成的。如此一來(lái)，使得石墨的層與層之間容易滑動(dòng)，甚至斷開，而使石墨的質(zhì)地變得很柔軟。但是，由于同一平面層上的碳原子間結(jié)合力很強(qiáng)（共價(jià)鍵之故），極難破壞，所以石墨的熔點(diǎn)較金剛石高，且化學(xué)性質(zhì)也較穩(wěn)定。石墨的晶體結(jié)構(gòu)也決定著它的物理特性。

石墨的結(jié)構(gòu)模型

       對(duì)于一個(gè)單晶體而言，石墨可看作是一個(gè)二維的金屬。也就是說(shuō)，石墨晶體中由于有兩種不同的結(jié)合力，使得其晶體層的平行方向和垂直方向的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性產(chǎn)生了差異，這種現(xiàn)象稱之為“各向異性”。根據(jù)研究指出，其兩個(gè)方向性能的數(shù)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(lái)看，就顯不出很大的方向性。
       金剛石就不一樣了。每個(gè)金剛石的晶胞（構(gòu)成金剛石的最小單位，猶如生物組織的細(xì)胞）中有四個(gè)碳原子，各個(gè)碳原子分布在正四面體的四個(gè)頂角上，且碳原子和碳原子之間是以牢固的共價(jià)鍵相連接。許許多多這樣大小、形狀相同的晶胞，有規(guī)則地緊密連接在一起。且在金剛石晶體中，每個(gè)碳原子與它鄰近的四個(gè)共價(jià)碳原子通過強(qiáng)烈的相互作用緊密結(jié)合?！熬o密結(jié)合”的兩個(gè)碳原子之間的距離約為0.155nm，從而形成致密的三維結(jié)構(gòu)。這樣排列的碳原子具有很高的結(jié)合能，因?yàn)楦魈荚娱g的距離相等，使得金剛石晶體具有無(wú)隙可乘的結(jié)構(gòu)，擁有最高的力學(xué)強(qiáng)度，因而使得金剛石成為天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)。

金剛石的結(jié)構(gòu)模型

       此外，金剛石和石墨相比，結(jié)構(gòu)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(shí)許多。從上述介紹中，我們可以清楚地了解到，物質(zhì)的硬度取決于他們?cè)又g的鍵結(jié)方向和鍵能強(qiáng)度。
       相對(duì)于石墨的導(dǎo)電性，金剛石不導(dǎo)電是因?yàn)榻饎偸忻總€(gè)碳原子與其周圍的4個(gè)碳原子通過“共用電子對(duì)”形成強(qiáng)烈的相互作用，碳原子最外層的4個(gè)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(dǎo)電。
       前面所述石墨的熔點(diǎn)較金剛石高，但是二者的沸點(diǎn)卻相同，這又是為什么呢？物質(zhì)的物態(tài)變化與微粒間的距離是有一定關(guān)系的。石墨和金剛石熔化以后，碳原子原來(lái)的排列方式被打破，原子間的距離相等，相互作用強(qiáng)度也相同，所以沸點(diǎn)相同。

       所以，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，金剛石和石墨都由碳原子構(gòu)成，但因?yàn)樵优帕蟹绞讲煌瑢?dǎo)致很多物理性質(zhì)有很大差異。