答案：C

题目分析：A．金刚石和石墨是由同种元素组成的不同性质的单质，互为同素异形体，错误；B．分子式相同，结构不同，是同分异构体，错误；C．CH₄和C₂H₆结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH₂原子团，互为同系物，正确；D．¹⁶O和¹⁸O是由质子数相同而中子数不同的同种元素的不同种原子，互为同位素，错误。