Tabel periodik
Tren periodik > Sifat logam

Zat sederhana adalah zat yang terbentuk dari atom-atom dari satu unsur kimia. Zat sederhana dari atom yang lebih elektronegatif cenderung berbagi elektron (membentuk ikatan kovalen) satu sama lain. Mereka membentuk molekul kecil (seperti hidrogen atau oksigen, yang atom-atomnya berpasangan) atau struktur raksasa yang membentang tanpa batas (seperti karbon atau silikon). Gas mulia tetap sebagai atom tunggal, karena mereka sudah memiliki kulit yang terisi penuh. Zat yang terdiri dari molekul diskrit atau atom tunggal disatukan oleh gaya tarik menarik yang lebih lemah antara molekul, seperti gaya dispersi London: ketika elektron bergerak di dalam molekul, mereka menciptakan ketidakseimbangan muatan listrik sesaat, yang menginduksi ketidakseimbangan serupa pada molekul di dekatnya dan menciptakan pergerakan elektron yang tersinkronisasi melintasi banyak molekul tetangga.
Namun, atom yang lebih elektropositif cenderung kehilangan elektron, menciptakan "lautan" elektron yang menelan kation. Orbital terluar dari satu atom tumpang tindih untuk berbagi elektron dengan semua tetangganya, menciptakan sebuah struktur orbital molekul raksasa yang memanjang di seluruh bagian struktur. "Laut" bermuatan negatif ini menarik semua ion dan menyatukannya dalam ikatan logam. Unsur-unsur yang membentuk ikatan semacam itu disebut logam; mereka yang tidak disebut nonlogam. Beberapa elemen dapat membentuk beberapa zat sederhana dengan struktur yang berbeda: ini disebut alotrop. Misalnya, berlian dan grafit adalah dua alotrop karbon.
Sifat logam suatu unsur dapat diprediksi dari sifat-sifat elektronik. Ketika orbital atom tumpang tindih selama ikatan logam atau kovalen, mereka menciptakan orbital molekul ikatan dan antiikatan dengan kapasitas yang sama, dengan orbital antiikatan berenergi lebih tinggi. Karakter ikatan bersih terjadi ketika elektron pada orbital ikatan lebih banyak daripada jumlah elektron pada orbital antiikatan. Ikatan logam dengan demikian dimungkinkan ketika jumlah elektron yang terdelokalisasi oleh setiap atom kurang dari dua kali jumlah orbital yang berkontribusi saat tumpang tindih. Ini adalah situasi untuk unsur-unsur dalam golongan 1 sampai 13; mereka juga memiliki terlalu sedikit elektron valensi untuk membentuk struktur kovalen raksasa di mana semua atom mengambil posisi yang setara, dan hampir semuanya menjadi logam. Pengecualiannya adalah hidrogen dan boron, yang memiliki energi ionisasi yang terlalu tinggi. Hidrogen dengan demikian membentuk molekul kovalen H2, dan boron membentuk struktur kovalen raksasa berdasarkan kluster B12 ikosahedral. Dalam sebuah logam, orbital ikatan dan antiikatan memiliki energi yang tumpang tindih, menciptakan pita tunggal yang dapat dilalui elektron dengan bebas, memungkinkan terjadinya konduksi listrik.
Di golongan 14, ikatan logam dan kovalen menjadi mungkin. Dalam kristal berlian, ikatan kovalen antara atom karbon kuat, karena mereka memiliki jari-jari atom kecil dan dengan demikian nukleus lebih banyak menahan elektron. Oleh karena itu, orbital ikatan yang dihasilkan memiliki energi yang jauh lebih rendah daripada orbital antiikatan, dan tidak ada tumpang tindih, sehingga konduksi listrik menjadi tidak mungkin: karbon adalah nonlogam. Namun, ikatan kovalen menjadi lebih lemah untuk atom yang lebih besar, sehingga silikon dan germanium memiliki celah pita yang lebih kecil dan merupakan semikonduktor: elektron dapat melewati celah saat tereksitasi secara termal. Akhirnya celah pita menghilang dalam timah, sehingga timah dan timbal menjadi logam.
Unsur-unsur dalam golongan 15 sampai 17 memiliki terlalu banyak elektron untuk membentuk molekul kovalen raksasa yang membentang di seluruh dimensi. Untuk unsur yang lebih ringan, ikatan dalam molekul diatomik kecil begitu kuat sehingga fase terkondensasi tidak dapat terjadi: dengan demikian nitrogen (N2), oksigen (O2), fosforus putih (P4), belerang (S8), dan halogen stabil (F2, Cl2, Br2, and I2) dapat membentuk molekul kovalen dengan sedikit atom. Unsur yang lebih berat cenderung membentuk rantai panjang (misalnya fosforus merah, selenium abu-abu, telurium) atau struktur berlapis (misalnya karbon sebagai grafit, fosforus hitam, arsen abu-abu, antimon abu-abu, bismut) yang hanya memanjang dalam satu atau dua daripada tiga dimensi. Karena struktur ini tidak menggunakan semua orbitalnya untuk ikatan, mereka berakhir dengan pita ikatan, nonikatan, dan antiikatan dengan urutan peningkatan energi. Sama halnya dengan golongan 14, celah pita menyusut untuk unsur yang lebih berat dan pergerakan bebas elektron antara rantai atau lapisan menjadi mungkin. Jadi misalnya fosforus hitam, arsen hitam, selenium abu-abu, telurium, dan iodin adalah semikonduktor; arsen abu-abu, antimon abu-abu, dan bismut adalah semilogam (memperlihatkan konduksi kuasi-logam, dengan tumpang tindih pita yang sangat kecil); dan polonium dan mungkin astatin adalah logam sejati. Akhirnya, semua unsur golongan 18 alami tetap sebagai atom individu.
Garis pemisah antara logam dan nonlogam kira-kira diagonal dari kiri atas ke kanan bawah, dengan deret transisi muncul di sebelah kiri diagonal ini (karena mereka memiliki banyak orbital yang tersedia untuk tumpang tindih). Hal ini sudah diperkirakan, karena sifat logam cenderung berkorelasi dengan elektropositivitas dan kesediaan untuk kehilangan elektron, yang meningkat dari kanan ke kiri dan dari atas ke bawah. Dengan demikian, jumlah logam jauh lebih banyak daripada nonlogam. Unsur-unsur yang berada di dekat garis batas sulit untuk diklasifikasikan: mereka cenderung memiliki sifat-sifat yang berada di antara sifat-sifat logam dan nonlogam, dan mungkin memiliki beberapa sifat yang khas dari keduanya. Mereka sering disebut semilogam atau metaloid. Istilah "semilogam" yang digunakan dalam pengertian ini tidak boleh dikacaukan dengan pengertian fisik yang ketat yang berkaitan dengan struktur pita: bismut secara fisik adalah semilogam, tetapi umumnya dianggap sebagai logam oleh ahli kimia.
Umumnya, logam terlihat mengkilap dan padat. Mereka biasanya memiliki titik lebur dan titik didih yang tinggi karena kekuatan ikatan logam, dan sering kali dapat ditempa dan ulet (mudah diregangkan dan dibentuk) karena atom dapat bergerak relatif satu sama lain tanpa memutuskan ikatan logam. Mereka dapat menghantarkan listrik karena elektron mereka bebas bergerak di ketiga dimensi. Demikian pula, mereka dapat menghantarkan panas, yang ditransfer oleh elektron sebagai energi kinetik ekstra: mereka bergerak lebih cepat. Sifat-sifat ini bertahan dalam keadaan cair, seolah-olah struktur kristal hancur saat meleleh, atom-atom masih bersentuhan dan ikatan logam tetap ada, meskipun melemah. Logam cenderung reaktif terhadap nonlogam. Beberapa pengecualian dapat ditemukan untuk generalisasi ini: misalnya, mangan, arsen, antimon, dan bismut cenderung rapuh; kromium sangat keras; galium, rubidium, sesium, dan raksa berbentuk cair pada atau mendekati suhu kamar; dan logam mulia seperti emas secara kimiawi sangat inert.
Nonlogam menunjukkan sifat yang berbeda. Mereka yang membentuk kristal kovalen raksasa memiliki titik lebur dan titik didih yang tinggi, karena dibutuhkan energi yang cukup besar untuk mengatasi ikatan kovalen yang kuat. Molekul-molekul diskrit yang membentuk sebagian besar disatukan oleh gaya dispersi, yang lebih mudah diatasi; sehingga mereka cenderung memiliki titik leleh dan titik didih yang lebih rendah, dan banyak yang berbentuk cair atau gas pada suhu kamar. Nonlogam sering kali tampak kusam. Mereka cenderung reaktif terhadap logam, kecuali untuk gas mulia, yang inert terhadap sebagian besar zat. Mereka rapuh ketika berbentuk padat karena atom mereka dipegang erat di tempatnya. Mereka kurang rapat dan menghantarkan listrik dengan buruk, karena tidak ada elektron yang bergerak. Di dekat garis batas, celah pita kecil dan oleh karena itu banyak elemen di wilayah itu merupakan semikonduktor. Sekali lagi ada pengecualian; misalnya, berlian memiliki konduktivitas termal tertinggi dari semua bahan yang diketahui, lebih besar dari logam apa pun.
Hal yang umum untuk menetapkan kelas metaloid yang melintasi batas antara logam dan nonlogam, karena unsur-unsur di wilayah itu adalah perantara dalam sifat fisik dan kimia. Namun, tidak ada konsensus dalam literatur untuk elemen mana yang harus ditunjuk. Bila kategori seperti itu digunakan, boron, silikon, germanium, arsen, antimon, dan telurium biasanya disertakan; tetapi kebanyakan sumber memasukkan unsur-unsur lain juga, tanpa kesepakatan tentang unsur-unsur tambahan mana yang harus ditambahkan, dan beberapa lainnya mengurangi dari daftar ini sebagai gantinya. Misalnya, tabel periodik yang digunakan oleh American Chemical Society memasukkan polonium sebagai metaloid, tetapi yang digunakan oleh Royal Society of Chemistry tidak, dan yang termasuk dalam Encyclopædia Britannica tidak mengacu pada metaloid atau semilogam sama sekali.