У вільному стані вуглець утворює два аллотропних видозміни: алмаз і графіт. Обидва вони мають атомну кристалічну решітку, але розрізняються розташуванням атомів в ній. Решітка алмазу нами вже розглядалася. Кожен атом вуглецю в кристалі алмаза пов'язаний ковалентними зв'язками з чотирма іншими, розміщеними навколо нього на однаковій відстані (рис. 29). У всіх напрямках в алмазі зв'язку однаково міцні.
Кристали графіту складаються, як стопка паперу з листів, з атомних шарів, утворених змикаються один з одним (на зразок бджолиних сот) шестикутниками з вуглецевих атомів (рис. 30). Зв'язки між сусідніми шарами слабкі, і кристал легко розщеплюється на лусочки. У графіті, на відміну від алмаза, містяться, як в металах, слабо пов'язані електрони. У графіті у кожного атома беруть участь в утворенні ковалентних зв'язків лише 3 з 4 валентних електронів, утворюючи з сусідніми атомами три ковалентні зв'язки, спрямовані під кутом 120 ° один до одного. Четвертий електрон залишається, як в металах, вільним. Цим електронам графіт і зобов'язаний своєю електропровідністю. Через різного атомної будови алмаз і графіт проявляють не тільки різні, але як би протилежні фізичні властивості. Алмаз прозорий, безбарвний, не проводить електричного струму, це найтвердіша з природних речовин. Алмази застосовуються для різання скла, буріння гірських порід (рис. 29) і у вигляді "алмазного інструменту" (різці, свердла, шліфувальні круги) в машинобудуванні при різанні і шліфовці металів, забезпечуючи високу продуктивність і високу якість праці.
Графіт непрозорий, сірого кольору, з металевим блиском. Завдяки наявності рухомих електронів, він досить добре проводить електричний струм і теплоту; він слизький на дотик, як мастила, і є одним з найбільш м'яких з числа твердих речовин. Навіть при слабкому терті про папір графіт розшаровується на найтонші лусочки, що застряють між волокнами паперу і залишають на ній сірий слід, наприклад при писанні графітовим олівцем. Звідси походить і назва графіту (в перекладі з латинської "ми"). Через м'якість графіт у вигляді порошку замінює мастила при високих, а також занадто низьких температурах, устеляючи своїми слизькими лусочками зазор між віссю і втулкою. У цих випадках використовують також підшипники з втулками з пресованого графіту. Через електропровідності графіт застосовують в якості матеріалу для електродів, а через теплопровідності - у вигляді теплообмінних труб в хімічній промисловості.
У земній корі вільний вуглець зустрічається у вигляді графіту і окремих кристалів алмазу: графіт досить часто, алмаз - надзвичайно рідко. В СРСР родовища природних алмазів розробляються в Західній Якутії.
Алотропні різновиди вуглецю взаімопревратіми при високих температурах: при цьому при звичайних тисках алмаз перетворюється на графіт, а при дуже високому тиску - графіт в алмаз. Алмазний інструмент з штучних алмазів анітрохи не поступається інструменту, виготовленого з природних алмазів.
Часто нам доводиться зустрічатися з аморфним вуглецем у вигляді сажі і вугілля. За будовою аморфний вуглець - це той же графіт, але в стані найтоншого подрібнення. З утворенням аморфних форм вуглецю ми зустрічаємося в побуті. При недогляд гасові лампи коптять, виділяючи вуглець у вигляді сажі, а їжа "пригорає", виділяючи вуглець у вигляді вугілля. Те ж саме відбувається при сильному нагріванні в пробірці лучінок. Дерево чорніє, перетворюючись на вугілля. При цьому утворюються горючі гази, їх можна підпалити, піднісши до отвору пробірки запалений сірник.
Розкладання органічних речовин за допомогою нагрівання без доступу повітря (щоб запобігти горіння) називається сухою перегонкою.
За допомогою сухої перегонки кам'яне вугілля перетворюється на кокс, а деревина - в деревне вугілля.
Практичне застосування аморфних форм вуглецю різноманітно. Одне із застосувань сажі зараз перед вашими очима: типографська фарба, якою надруковано літери цієї книги. З сажі отримують туш. Добавка сажі до гумі при виробництві автопокришок підвищує їх міцність і збільшує термін служби. Шинна промисловість - головний споживач сажі.
Кокс і вугілля застосовують як висококалорійне пальне і як відновник в металургії при виплавці заліза та інших металів з руд. Спеціальні сорти вугілля застосовуються в якості адсорбентів.
