Estrutura do cristal
No estado sólido, carbono elementar, silício, germânio e estanho cinza (definido como estanho alfa) existem como cristais cúbicos, com base em um arranjo tridimensional de ligações. Cada átomo está covalentemente ligado a quatro átomos vizinhos de tal forma que eles formam os cantos de um tetraedro (um sólido que consiste em quatro faces de três lados). Um resultado prático é que nenhuma pequena molécula discreta desses elementos, como as formadas por nitrogênio, fósforo ou arsênico, pode ser distinguida; em vez disso, qualquer partícula sólida ou fragmento de um desses elementos, independentemente do tamanho, é uniformemente unida e, portanto, todo o fragmento pode ser considerado como uma molécula gigante. Os pontos de fusão decrescentes, os pontos de ebulição e as energias térmicas decrescentes associadas à fusão (fusão), sublimação (mudança de sólido para gás) e vaporização (mudança de líquido para gás) entre esses quatro elementos, com número atômico crescente e tamanho atômico, indicam um enfraquecimento paralelo das ligações covalentes neste tipo de estrutura. O arranjo real ou provável dos elétrons de valência é frequentemente impossível de determinar e, em vez disso, são considerados os estados de energia relativa dos elétrons, no estado fundamental, ou menos energético, do átomo. Assim, a mesma tendência do não metálico em direção aos estados metálicos é indicada pela diminuição da dureza e pela diminuição da energia da ligação simples entre os átomos. O carbono se cristaliza em duas formas, como diamante e como grafite; o diamante se destaca de todas as outras formas elementares pela extrema estabilidade de sua estrutura de cristal, enquanto o grafite tem uma estrutura de camadas. Como pode ser esperado, a clivagem entre camadas de grafite é muito mais fácil de efetuar do que a ruptura dentro de uma camada. As estruturas cristalinas do beta (β) estanho branco e do chumbo elementar são claramente estruturas metálicas. Em um metal, os elétrons de valência são livres para se moverem de átomo em átomo e dão ao metal sua condutividade elétrica.