金剛石晶瑩美麗，光彩奪目，是自然界最硬的礦石。在所有物質(zhì)中，它的硬度極高。測定物質(zhì)硬度的刻畫法規(guī)定，以金剛石的硬度為10來度量其它物質(zhì)的硬度。例如Cr的硬度為9、Fe為4.5、Pb為1.5、鈉為0.4等。在所有單質(zhì)中，它的熔點(diǎn)極高，達(dá)3823K。

　　金剛石晶體屬立方晶系，是典型的原子晶體，每個(gè)碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正四面體。這是金剛石的面心立方晶胞的結(jié)構(gòu)。

　　由于金剛石晶體中C—C鍵很強(qiáng)，所有價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成，晶體中沒有自由電子，所以金剛石不僅硬度大，熔點(diǎn)高，而且不導(dǎo)電。

　　室溫下，金剛石對(duì)所有的化學(xué)試劑都顯惰性，但在空氣中加熱到1100K左右時(shí)能燃燒成CO2。

　　金剛石俗稱鉆石，除用作裝飾品外，主要用于制造鉆探用的鉆頭和磨削工具，是重要的現(xiàn)代工業(yè)原料，價(jià)格十分昂貴。

　　石墨

　　石墨烏黑柔軟，是世界上最軟的礦石。石墨的密度比金剛石小，熔點(diǎn)比金剛石僅低50K，為3773K。

　　在石墨晶體中，碳原子以sp2雜化軌道和鄰近的三個(gè)碳原子形成共價(jià)單鍵，構(gòu)成六角平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又連成片層結(jié)構(gòu)。層中每個(gè)碳原子均剩余一個(gè)未參加sp2雜化的p軌道，其中有一個(gè)未成對(duì)的p電子，同一層中這種碳原子中的m電子形成一個(gè)m中心m電子的大∏鍵(鍵)。這些離域電子可以在整個(gè)兒碳原子平面層中活動(dòng)，所以石墨具有層向的良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì)。

　　石墨的層與層之間是以分子間力結(jié)合起來的，因此石墨容易沿著與層平行的方向滑動(dòng)、裂開。石墨質(zhì)軟具有潤滑性。

　　由于石墨層中有自由的電子存在，石墨的化學(xué)性質(zhì)比金剛石稍顯活潑。

　　由于石墨能導(dǎo)電，有具有化學(xué)惰性，耐高溫，易于成型和機(jī)械加工，所以石墨被大量用來制作電極、高溫?zé)犭娕?、坩堝、電刷、潤滑劑和鉛筆芯。

　　碳六十

　　20世紀(jì)80年代中期，人們發(fā)現(xiàn)了碳元素的第三種同素異形體——C60。

　　碳六十的發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　1996年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院決定把1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予RobertFCurl，Jr(美國)、HaroldWKroto(英國)和RichardESmalley(美國)，以表彰他們發(fā)現(xiàn)C60。

　　1995年9月初，在美國得克薩斯州Rice大學(xué)的Smalley實(shí)驗(yàn)室里，Kroto等為了模擬N型紅巨星附近大氣中的碳原子簇的形成過程，進(jìn)行了石墨的激光氣化實(shí)驗(yàn)。他們從所得的質(zhì)譜圖中發(fā)現(xiàn)存在一系列由偶數(shù)個(gè)碳原子所形成的分子，其中有一個(gè)比其它峰強(qiáng)度大20~25倍的峰，此峰的質(zhì)量數(shù)對(duì)應(yīng)于由60個(gè)碳原子所形成的分子。

　　C60分子是以什么樣的結(jié)構(gòu)而能穩(wěn)定呢？層狀的石墨和四面體結(jié)構(gòu)的金剛石是碳的兩種穩(wěn)定存在形式，當(dāng)60個(gè)碳原子以它們中的任何一種形式排列時(shí)，都會(huì)存在許多懸鍵，就會(huì)非常活潑，就不會(huì)顯示出如此穩(wěn)定的質(zhì)譜信號(hào)。這就說明C60分子具有與石墨和金剛石完全不同的結(jié)構(gòu)。由于受到建筑學(xué)家BuckminsterFuller用五邊形和六邊形構(gòu)成的拱形圓頂建筑的啟發(fā)，Kroto等認(rèn)為C60是由60個(gè)碳原子組成的球形32面體，即由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形組成，只有這樣C60分子才不存在懸鍵。

　　在C60分子中，每個(gè)碳原子以sp2雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子相連，剩余的未參加雜化的一個(gè)p軌道在C60球殼的外圍和內(nèi)腔形成球面大∏鍵，從而具有芳香性。為了紀(jì)念Fuller，他們提出用Buckminsterfullerene來命名C60，后來又將包括C60在內(nèi)的所有含偶數(shù)個(gè)碳所形成的分子通稱為Fuller，中譯名為富勒烯。