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在标准温度和压力下，氧气是一种无色、无臭、无味的气体，分子式为 O2，简称双氧。

作为双氧，两个氧原子以化学方式相互结合。根据理论水平可以对键进行不同的描述，但可以合理且简单地描述为共价双键，它是由填充由单个氧原子的原子轨道形成的分子轨道产生的，填充后形成一个键两个的顺序。更具体地说，双键是连续的、低到高的能量或Aufbau填充轨道的结果，以及在连续填充低 σ 和 σ *之后抵消来自 2s 电子的贡献轨道；沿 OO 分子轴的两个原子 2p 轨道的 σ 重叠和垂直于 OO 分子轴的两对原子 2p 轨道的π重叠，然后在部分填充后抵消了六个 2p 电子中其余两个的贡献最低的π和π *轨道。

这种抵消和 σ 和π重叠的组合导致双氧的双键特性和反应性，以及三重电子基态。具有两个不成对电子的电子配置，如在能量相等的双氧轨道（参见图中填充的π * 轨道）中发现的（即简并），是一种称为自旋三重态的配置。因此，O的基态
2分子被称为三线态氧。

液态氧，由于其顺磁性而暂时悬浮在磁铁中在三元组形式中，O2分子是顺磁性的。也就是说，由于分子中未配对电子的自旋 磁矩以及相邻O之间的负交换能，当存在磁场时，它们赋予氧磁性2分子，液氧具有很强的磁性，在实验室演示中，可以在强力磁铁的两极之间抵抗自身的重量支撑一个液氧桥。

单线态氧是对几种高能分子O 的名称2其中所有的电子自旋都是成对的。与普通（三重态）分子氧相比，它与普通有机分子的反应性要高得多。在自然界中，单线态氧通常是在光合作用过程中利用阳光的能量由水形成的，它还在对流层中通过短波长光对臭氧的光解作用产生和作为活性氧来源的免疫系统产生。[35] 光合生物（也可能是动物）中的类胡萝卜素在从单线态氧中吸收能量并将其转化为未激发的基态，以免对组织造成伤害方面发挥着重要作用。