다이아몬드와 흑연 모두 성분은 탄소다. 하지만 결정구조, 즉 분자들 사이의 결합 형태가 서로 다르기 때문에 물성도 완전히 다르다. 이처럼 성분은 같지만 상이한 결정구조로 인해 물성이 다른 물질들을 동소체, 혹은 동질이상이라 부른다.

흑연과 다이아몬드에 더해 신소재로 각광 받는 탄소나노튜브와 그래핀이 탄소 동소체며 산소(O₂)와 오존(O₃)은 산소 동소체다.

원자번호 6번의 탄소는 6개의 전자를 갖고 있다. 그런데 물질의 성질을 결정하는 것은 전자의 수가 아니라 ‘원자가 전자(valence electron)’ , 쉽게 말해 가장 바깥쪽에 존재하는 최외각 전자의 숫자다. 탄소의 경우 원자가 전자가 4개다. 이들이 화학결합에 참여해 흑연이 되기도, 다이아몬드가 되기도 하는 것.

구체적으로 다이아몬드는 4개의 원자가 전자가 원자핵을 중심으로 정사면체의 꼭짓점에 배치되고 이 꼭짓점을 다른 탄소 원자가 공유하는 형태다. 정사면체끼리 꼭짓점을 공유하며 규칙적으로 배열돼 있다.

이 결합구조를 sp3 혼성궤도라 하며 이런 결합의 형태를 시그마(σ) 결합이라 한다.

반면 흑연은 원자가 전자 중 3개가 원자핵을 중심으로 정삼각형의 꼭짓점에 배치되고 이 꼭짓점을 다른 탄소 원자가 공유하는 형태다. 탄소를 중심으로 6개의 전자가 정육각형 형태로 배치돼 있는 것이다. 이를 sp2 혼성궤도라 칭한다.

흑연의 성질은 하나 남은 마지막 원자가 전자가 결정한다. 이 전자는 정육각형 평면의 위나 아래에 위치하면서 각 평면을 서로 결합시켜주는 역할을 한다. 이러한 결합을 파이(π)결합이라 한다.