金刚石、石墨都是碳元素组成的单质。由于碳原子的排列方式不同，导致金刚石和石墨的物理性质存在很大差异。碳原子（carbon）的化学符号是：C，元素原子量：12.011，质子数：6，原子序数：6。
金刚石结构的原型是金刚石晶体，又称钻石。在金刚石晶体中，每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于金刚石中的C-C键很强，所以金刚石硬度大，熔点极高；又因为所有的价电子都被限制在共价键区域，没有自由电子，所以金刚石不导电。
石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。
在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们互相重叠，形成离域的π键电子在晶格中能自由移动，可以被激发，所以石墨有金属光泽，能导电、传热。由于层与层间距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动，所以石墨的密度比金刚石小，质软并有滑腻感。
