A grafite é um sólido cinza, opaco, mole e escorregadio, que deixa marcas quando risca qualquer superfície, e, por isso, é a matéria-prima dos lápis de escrever. Conduz bem o calor e a eletricidade e é usado como eletrodo em pilhas eletroquímicas, como lubrificante e como moderador em reatores nucleares.
Já o diamante, a substância mais dura conhecida (10, na escala de Mohs), é incolor e transparente e um mau condutor de eletricidade; aquecido a 1.000 °C em atmosfera inerte, converte-se em grafite lentamente; quando suas faces são lapidadas, tem-se o brilhante, que possui grande beleza e é a mais valiosa das pedras preciosas. Também é utilizado industrialmente por sua dureza e propriedades abrasivas.
A terceira forma do carbono é o carvão, sólido considerado amorfo, composto provavelmente de microcristais de grafite. É empregado basicamente como combustível.
Todas essas três substâncias são formadas exclusivamente de átomos de carbono, e a enorme diferença em aspecto e propriedades deve-se ao fato de apresentarem estruturas cristalinas completamente diferentes. Assim, um cristal de grafite consiste em um empilhamento de camadas paralelas de átomos de carbono, sendo cada camada constituída por anéis hexagonais de átomos de carbono ligados entre si e que se estendem infinitamente. Entre as camadas, a distância é suficientemente grande, não permitindo nenhuma ligação localizada. As camadas são mantidas por forças fracas de van der Waals, o que facilita o deslizamento de umas sobre outras, possibilitando seu uso como lubrificante e marcador de superfícies (lápis).
A estrutura cristalina do diamante é completamente diferente. Cada átomo de carbono possui quatro átomos vizinhos, aos quais está fortemente ligado, formando o conjunto uma estrutura tridimensional extremamente dura e resistente.
Recentemente, em 1990, foi identificada uma nova variedade de carbono: são os fulerenos, moléculas formadas por 60 ou 70 átomos de carbono ligados entre si, constituindo um tipo de gaiola de forma esférica com um arranjo de hexágonos ou pentágonos à semelhança de uma bola de futebol.
Os fulerenos receberam esse nome devido ao fato de sua forma lembrar as abóbadas geodésicas construídas pelo arquiteto norte-americano Richard Buckminster Fuller (a molécula de fulereno é conhecida como buckyball, “bola do Buck”). Os fulerenos estão presentes na natureza em pequeníssima quantidade; são encontrados na atmosfera, formados pelas descargas elétricas dos relâmpagos, e escondidos na fuligem. Têm sido obtidos industrialmente por diferentes métodos, e hoje são muito utilizados em polímeros, semicondutores, supercondutores, lubrificantes, protetores radioativos etc.
O carbono forma mais compostos do que todos os outros elementos considerados em conjunto (cerca de seis e meio milhões). Eles são tão numerosos e importantes que, são classificados como um grupo separado, a Química Orgânica, dentro do universo dos compostos químicos. Orgânica, de organismo (vivo), uma vez que nosso companheiro carbono é o componente essencial de todos os seres vivos e forma, juntamente com o hidrogênio, o oxigênio, o nitrogênio e alguns outros poucos elementos, aproximadamente 18% (em massa) de toda a matéria existente nos seres vivos.