Krystallstruktur
I fast tilstand, elementært karbon, silisium, germanium og grå tinn (definert som alfa-tinn) eksisterer som kubiske krystaller, basert på et tredimensjonalt arrangement av bindinger. Hvert atom er kovalent bundet til fire nærliggende atomer på en slik måte at de danner hjørnene til et tetraeder (et fast stoff bestående av fire tresidige ansikter). Et praktisk resultat er at ingen adskilte små molekyler av disse elementene, slik som de som dannes av nitrogen, fosfor eller arsen, kan skilles ut; i stedet er en hvilken som helst fast partikkel eller fragment av ett av disse elementene, uavhengig av størrelse, bundet jevnt overalt, og derfor kan hele fragmentet betraktes som et gigantisk molekyl. Avtagende smeltepunkter, kokepunkter og avtagende varmeenergier forbundet med fusjon (smelting), sublimering (endring fra fast til gass) og fordampning (bytte fra væske til gass) blant disse fire elementene, med økende atomnummer og atomstørrelse, indikerer en parallell svekkelse av de kovalente bindingene i denne typen struktur. Den faktiske eller sannsynlige ordningen med valenselektroner er ofte umulig å bestemme, og i stedet vurderes relative energitilstander til elektronene, i bakken eller minst energiske, tilstanden til atomet. Dermed er den samme trenden av ikke-metallisk mot metalliske tilstander indikert av avtagende hardhet og avtagende enkeltbindingsenergi mellom atomer. Karbon krystalliserer i to former, som diamant og som grafitt; diamant skiller seg fra alle andre elementformer i ekstrem stabilitet i sin krystallstruktur, mens grafitt har en lagstruktur. Som man kan forvente, er spalting mellom lag av grafitt mye lettere å bevirke enn brudd i et lag. Krystallstrukturene av hvit beta (β) tinn og elementært bly er tydelig metallstrukturer. I et metall kan valenselektronene bevege seg fra atom til atom, og de gir metallet dets elektriske ledningsevne.