안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 다이아몬드와 흑연은 모두 탄소 원자만으로 이루어진 동소체이지만, 탄소 원자들이 어떤 방식으로 결합하느냐에 따라 전혀 다른 성질을 보이게 됩니다.
다이아몬드는 각 탄소 원자가 sp³ 혼성 궤도를 이용해 4개의 다른 탄소와 강한 공유 결합을 형성하며, 이 결합이 3차원적으로 끝없이 이어진 거대한 격자를 만드는데요, 따라서 모든 결합이 등방적이고 매우 강합니다. 이때 다이아몬드는 3차원적으로 매우 강한 공유 결합망을 이루고 있어 자연계에서 가장 단단한 물질 중 하나입니다.
반면에 흑연은 각 탄소 원자가 sp² 혼성 궤도를 이용해 3개의 탄소와 공유 결합을 형성해 평면적인 육각형 구조를 이루고, 남은 하나의 전자는 π 전자로서 층 전체에 비편재화되어 전도성을 가지는데요, 이 층들은 약한 반데르발스 힘으로 서로 결합해 있어서 쉽게 미끄러질 수 있으며, 층간 결합이 약해 층이 쉽게 미끄러져 연필심처럼 부드럽게 쓰여집니다.
또한 말씀해주신 것처럼 상온, 상압에서 열역학적으로는 흑연이 더 안정한 형태를 이루고 있는데요, 다이아몬드는 고온·고압 조건에서 형성되었기 때문에 지구 표면에서는 준안정 상태로 존재하지만, 전환 속도가 매우 느려서 일상적으로 안정하게 남아 있습니다. 감사합니다.