Kristalstructuur
In vaste toestand, elementair koolstof, silicium, germanium en grijs tin (gedefinieerd als alfa-tin) bestaan als kubische kristallen, gebaseerd op een driedimensionale rangschikking van bindingen. Elk atoom is covalent gebonden aan vier naburige atomen op zon manier dat ze de hoeken vormen van een tetraëder (een vaste stof bestaande uit vier driezijdige vlakken). Een praktisch resultaat is dat er geen afzonderlijke kleine moleculen van deze elementen, zoals die gevormd door stikstof, fosfor of arseen, kunnen worden onderscheiden; in plaats daarvan is elk vast deeltje of fragment van een van deze elementen, ongeacht de grootte, overal uniform gebonden en daarom kan het hele fragment worden beschouwd als een gigantisch molecuul. Afnemende smeltpunten, kookpunten en afnemende warmte-energieën geassocieerd met fusie (smelten), sublimatie (verandering van vast naar gas) en verdamping (verandering van vloeistof naar gas) tussen deze vier elementen, met een toenemend atoomnummer en atoomgrootte, duiden erop een parallelle verzwakking van de covalente bindingen in dit type structuur. De feitelijke of waarschijnlijke rangschikking van valentie-elektronen is vaak onmogelijk te bepalen, en in plaats daarvan wordt rekening gehouden met de relatieve energietoestanden van de elektronen in de grond, of de minst energetische toestand van het atoom. Dus dezelfde trend van niet-metalen naar metallische toestanden wordt aangegeven door afnemende hardheid en afnemende energie van een enkele binding tussen atomen. Koolstof kristalliseert in twee vormen, als diamant en als grafiet; diamant onderscheidt zich van alle andere elementaire vormen door de extreme stabiliteit van zijn kristalstructuur, terwijl grafiet een gelaagde structuur heeft. Zoals te verwachten is, is splitsing tussen lagen grafiet veel gemakkelijker te bewerkstelligen dan breuk binnen een laag. De kristalstructuren van wit beta (β) tin en elementair lood zijn duidelijk metalen structuren. In een metaal zijn de valentie-elektronen vrij om van atoom naar atoom te bewegen, en ze geven het metaal zijn elektrische geleidbaarheid.