수소는 홑원소 물질로 지구상에 존재하는 경우는 거의 없다. 홑원소란 한 종류의 원소로 이루어진 물질을 의미한다. 하지만 우주에는 수소가 기체 형태로 무수히 존재한다. 지질학적 수소란 지구 표면 아래에 자연적으로 존재하는 수소 가스를 기체를 이르는 말이다. 산업 공정을 통해 생산되는 수소와 달리 기존의 석유처럼 땅속 암석에 저장되어 있다. 지질학적 수소는 사문암화 및 방사선 분해와 같은 자연적인 반응을 통해 생성된다. 사문암화는 물이 철이 풍부한 감람암 등과 반응하여 물 분자를 분해하고 수소를 부산물로 방출하는 과정이다. 지각 활동이 활발한 지역에서 흔히 발생하며 온도와 압력의 영향을 받는다.
방사선 분해는 자연적으로 존재하는 방사성 원소에서 방출되는 방사선이 암석에 갇힌 물 분자를 분해하여 수소를 방출할 때 일어난다. 이 과정은 사문암화 작용보다 느리고 수율(收率)도 낮지만 더 넓은 범위의 지질 환경에서 발생할 수 있다. 미생물 활동이나 유기물 분해와 같은 덜 일반적이지만 다른 과정들도 퇴적 분지에서 수소를 생성할 수 있다. 태양에서는 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 바뀌는 핵융합만이 일어나지만 태양보다 훨씬 큰 항성의 내부에서는 더 큰 원자핵이 만들어진다. 질소는 지구 대기의 78%를 차지한다.
산소는 지각 구성 원소들 중 가장 많은 비중을 차지한다. 산소는 지구 대기의 21%를 차지한다. 공기 중에 산소가 21% 포함되어 있지만 우리 주변에는 그보다 훨씬 많은 산소가 존재한다. 대부분은 다른 원소에 붙어 있는 산화물 형태로서다. 흙이나 돌의 주성분인 이산화규소라는 규소산화물, 철봉 표면의 거무스름한 사산화삼철이라는 철산화물 등이다. 무엇인가 연소하려면 반드시 산소가 필요하다. 산소를 통해 철이 산화되면 붉은 녹이 생긴다. 플루오린은 모든 원소를 통틀어 전기음성도가 가장 높다. 다른 원자의 전자를 강하게 끌어당기기 때문에 반응성이 높다. 형석(螢石; fluorite)은 주성분이 플루오린화 칼슘인 광물로 렌즈에 이용된다.
네온은 헬륨과 같은 희유(稀有) 기체로 안정성이 높아 화학 반응을 일으키기 어렵다. 헬륨처럼 홑원소 물질로 이용되는 경우가 많다. 마그네슘은 엽록소에 필요하기 때문에 비료로 사용된다. 불에 태우면 강렬한 백색광을 뿜어낸다. 이산화탄소에서 산소를 빼앗을 정도로 환원력이 강하다. 필수 미네랄 중 하나다. 금속 소재 중에서도 매우 가볍다. 마그네슘을 세게 가열하면 하얀 빛과 함께 연소되며 산화마그네슘으로 변한다. 마그네슘은 지각을 구성하는 12대 원소 중 하나다. 산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 티타늄, 수소, 인, 망가니즈 순서다.
산화알루미늄 결정으로 구성된 광물에 다른 금속 이온이 섞이면 루비, 사파이어 같은 보석이 된다. 알루미늄은 보크사이트 광석에서 만들어진다. 이온화 경향이 강한 알루미늄은 친숙한 금속 중에서 가장 산화되기 쉬운 금속이지만 공기에 산화되어 표면에 생겨나는 Al₂O₃(산화알루미늄)의 산화 피막(녹)이 대단히 치밀하기 때문에 한층 심각한 녹으로부터 내부를 보호해준다. 피막은 매우 얇으며 거의 무색이기 때문에 이 피막에 돞인 줄도 모르고 알루미늄은 녹슬지 않는다고 인식하는 것이다. 이 산화 피막을 인공적으로 입힌 알루미늄 제품을 알루마이트라고 한다.
일상에서 사용하는 대부부분의 알루미늄 제품에는 이런 처리가 되어 있다. 이산화규소 결정을 석영이라 한다. 규소 홑원소물질은 금속처럼 광택이 있다. 규소 화합물을 원료로 유리 제품을 만들 수 있다. 암석의 성분 원소인 규소는 지각 내부에 산소 다음으로 많이 존재한다. 자연계에서는 홑원소 물질로 존재하지 않으므로 이산화규소라는 산화물로 얻게 된다. 규소의 홑원소 물질은 산화물을 타소로 환원해 만들어낸다. 이산화규소는 석영 등으로 산출되는 공유결합결정으로 단단하며 녹는점이 높다. 유리 등의 주성분이다. 포타슘(칼륨)은 물 속에서 발화하므로 석유에 넣어 보관한다. 포타슘은 인체의 신경전달에 중요한 작용을 한다. 칼슘은 뼈나 치아를 구성하는 주요 성분이다.
체내에 가장 많이 존재하는 미네랄이다. 탄산칼슘은 조개껍질이나 산호 골격의 주요 성분이다. 스칸듐은 희토류 원소의 하나다. 망가니즈는 지각에서 12번째로 풍부한 원소다. 망가니즈는 산소를 흡착하는 성질이 있다. 그래서 동굴에 망가니즈가 있을 경우 산소가 희박해지기도 한다. 철은 혈액 속 적혈구에 있는 헤모글로빈이라는 단백질에 함유되어 있다. 철이 공기 중 산소와 반응하면 매우 무른 빨간 녹이 생긴다. 철의 녹은 두 종류다. 산화철을 포함한 빨간 녹과 사산화삼철이 주성분인 검은 녹이다. 검은 녹은 빨갛게 달궈진 철에 고온의 수증기를 뿌리거나 공기 중에서 철을 세게 가열하면 생긴다. 적철석(hematite)은 비자성(非磁性)이고 자철석(magnetite)은 자성(磁性)이다. 니켈은 지구 핵에 풍부한 원소다. 아연은 효소의 작용 등에 관여하는, 인체에 반드시 필요한 원소다.
우주를 떠도는 별 중에서 태양보다 20배 이상 무거운 항성은 마지막에 초신성 폭발을 일으킨다. 항성이 초신성 폭발을 일으키기까지 별 내부에서는 다양한 원소가 만들어진다. 항성 내부에서는 언제나 수소 원자에서 헬륨 원자를 만들어내는 핵융합 반응이 일어난다. 이때 방출되는 에너지를 바탕으로 빛을 낸다. 항성 중에서도 질량이 무거운 별은 수소가 사라진 뒤로도 핵융합 반응이 이어진다. 헬륨에서 탄소, 탄소에서 산소, 산소에서 규소..이런 식으로 원자량이 큰 원소가 계속하여 합성되다가 마지막으로 철로 이루어진 핵이 생겨나면 초신성 폭발을 일으킨다.
우주에 존재하는 수소, 헬륨 외의 무거운 원소는 초신성 폭발을 통해 흩뿌려진 것이다. 루비듐-스트론튬 연대측정법이 있다. 이리듐은 지구 지각에서 극히 희박한 원소다. 운석에서 비교적 흔하게 발견된다. 지각에서 이리듐은 화성암 퇴적물(지각에서 융기한 암석), 운석 충돌구, 재형성된 퇴적물 등에서 가장 높은 농도로 발견된다. 금은 전기전도성이 높다, 부식에 강하다. 전성(展性)과 연성(延性)이 높다. 수은은 상온에서 액체인 유일한 금속이다. 고체여야 한다는 원칙에 어긋나기에 수은은 미네랄이 아니다. 암석에 미량으로 분산된 납을 암석 납이라 한다. 암석 납은 원래 암석 물질에 존재했던 일반 납, 지질 시대 동안 우라늄과 토륨의 방사성 붕괴로 인해 동일한 암석 물질에서 생성된 방사성 납으로 구성된다.
토륨은 방사성 물질이다. 토륨과 우라늄의 가장 큰 차이점은 산화성 지표 조건에서 토륨의 이동성이 훨씬 낮다는 점이다. 토륨은 화성암 형성 과정에서도 농축(concentrated)된다. 92번 원소인 우라늄보다 원자번호가 큰 원소는 모두 초우라늄 원소라 한다. 수많은 양성자가 필요한(원자번호가 큰) 초우라늄 원소의 원자핵을 만드는 것은 아주 어렵다. 기본적으로 서로 반발하는 양성자를 묶어두는 핵력에도 한계가 있기 때문이다. 만들더라도 대부분 금세 방사선을 내뿜으며 붕괴한다.
우라늄에 중성자를 충돌시켜 핵분열을 일으켜서 이트륨, 아이오딘으로 나눈다. 이때 발생하는 에너지를 통해 증발된 물에서 생겨난 수증기가 터빈을 돌린다. 전자기 유도 현상에 의해 전기가 생성된다. 순수한 금속으로서 우라늄은 무겁고 금속성을 띤다. 비중이 약 18.7인 천연 우라늄은 금(약 19.3)만큼 무겁다. 전기 전도성이 낮고 연성과 전성이 뛰어나다. 우라늄은 자연적으로 방사성 물질이며 감마선을 방출한다. 자연에는 여러 동위원소 형태로 존재한다. 우라늄 원자핵은 92개의 양성자와 가변적인 수의 중성자를 포함하고 있다. 이들의 합이 원자 질량을 결정한다.