在自然界里，單質碳有三種變體:金剛石、石墨以及無定形碳。另外還有富勒烯和碳納米管人造單質碳。金剛石和石墨的結構屬結晶形體，無定形碳是非結晶形體，它們都是炭的同素異構體。碳的三種不同形態的同素異構體和它們形成時所經受的壓力與溫度有密切關系，由于形成的壓力與溫度不同，同樣的碳元素，可以生成不同形態和不同結構的物質，而且在一定條件下又可以轉化。

金剛石、石墨和無定形碳這三種同素異構體，由于在物理化學性質上存在著許多差異且所有從煤、石油產品及其他有機化合物制取的炭素材料在石墨化前，大多是無定形碳，因此，下面就對金剛石、石墨和煤炭的不同性質作介紹。

金剛石：金剛石的外觀無色透明，通常因所含雜質元素的不同而呈淡黃色、天藍色、藍色或紅色，有強烈的光澤，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整。由于金剛石的晶體結構中，每個碳原子都以共價鍵與周圍排列,4個碳原子結成具有四面體結構的晶體，整個晶體是一個巨大的分子，要使其破裂，必須使這些牢固的共價鍵斷開。因此，金剛石在所有物質中是最硬的，可用于制造鉆頭等。金剛石的碳原子的價電子彼此共享，完全形成共價鍵而無自由電子，所以幾乎不導電，導熱性能也很差，但它的折光率很高，經琢磨可制成鉆石。

石墨：石墨與金剛石相比，在晶體結構和性質上都是不同的，它是一種碳原子之間呈六角環形片狀體的多層疊合晶體。石墨有天然石墨和人造石墨兩種。石墨具有良好的導電性，雖然石墨的導電性不能與銅鋁金屬相比,但與其他非金屬材料相比,石墨的導電性是相當高的,石墨的導熱性甚至超過了鐵、銅、鋁等金屬材料,石墨又有很好的耐腐蝕性，無論是有機溶劑或無機溶劑，都不能溶解它。在常溫下,各種酸和堿與石墨都不能發生化學反應，只是在500℃以上的溫度時，才與硝酸或氧氣以及強氧化介質等起反應。

無定形碳：煤炭是泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤等的統稱。煤炭是幾百萬年以前的古代植物在地殼變動時被埋在地下，受到一定的溫度壓力炭化而形成的。各種煤炭的炭化程度相差很大，泥煤的炭化程度最差，因此，泥煤中含有大量的揮發物，結構疏松，無煙煤炭化程度較高,所以無煙煤的揮發物含量較少，密度與強度都比較高。