Struktura krystaliczna
W stanie stałym pierwiastkowy węgiel, krzem, german i szara cyna (zdefiniowane jako alfa cyna) istnieją jako sześcienne kryształy, oparte na trójwymiarowym układzie wiązań. Każdy atom jest kowalencyjnie związany z czterema sąsiednimi atomami w taki sposób, że tworzą rogi czworościanu (bryły składającej się z czterech trójbocznych ścian). Praktyczny wynik jest taki, że nie można wyróżnić żadnych odrębnych małych cząsteczek tych pierwiastków, takich jak te utworzone przez azot, fosfor czy arsen; zamiast tego każda stała cząstka lub fragment jednego z tych pierwiastków, niezależnie od rozmiaru, jest jednolicie wiązany na całej długości, a zatem cały fragment można uznać za gigantyczną cząsteczkę. Spadające temperatury topnienia, temperatury wrzenia i malejące energie cieplne związane z fuzją (topieniem), sublimacją (przejściem ze stanu stałego na gaz) i parowaniem (przejście z cieczy w gaz) wśród tych czterech pierwiastków, wraz ze wzrostem liczby atomowej i wielkości atomu, wskazują równoległe osłabienie wiązań kowalencyjnych w tego typu strukturach. Rzeczywisty lub prawdopodobny układ elektronów walencyjnych jest często niemożliwy do określenia, a zamiast tego rozważane są względne stany energetyczne elektronów w podstawowym lub najmniej energetycznym stanie atomu. Tak więc ten sam trend niemetalicznych w kierunku stanów metalicznych jest wskazywany przez malejącą twardość i malejącą energię pojedynczego wiązania między atomami. Węgiel krystalizuje w dwóch formach, jako diament i jako grafit; diament wyróżnia się spośród wszystkich innych form pierwiastkowych ekstremalną stabilnością swojej struktury krystalicznej, podczas gdy grafit ma strukturę warstwową. Jak można się spodziewać, rozszczepienie między warstwami grafitu jest znacznie łatwiejsze do wykonania niż pęknięcie w warstwie. Struktury krystaliczne białej cyny beta (β) i ołowiu pierwiastkowego są wyraźnie metalicznymi strukturami. W metalu elektrony walencyjne mogą swobodnie przemieszczać się od atomu do atomu i nadają metalowi przewodnictwo elektryczne.