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分子结构

O₂分子内的化学键通常是共价键。

从实验上来说，顺磁共振光谱证明O有顺磁性，还证明O有两个未成对的电子。说明原来的以双键结合的氧分子结构式不符合实际。

氧气的结构如右图所示，基态O₂分子中并不存在双键，氧分子里形成了两个三电子键。

氧的分子轨道电子排布式是氧气的结构，在π轨道中有不成对的单电子，所以O₂分子是所有双原子气体分子中的一种具有偶数电子同时又显示顺磁性的物质。

两个氧原子进行sp轨道杂化，一个单电子填充进sp杂化轨道，成σ键，另一个单电子填充进p轨道，成π键。氧气是奇电子分子，具有顺磁性。

单线态氧和三线态氧

普通氧气含有两个未配对的电子，等同于一个双游离基。两个未配对电子的自旋状态相同，自旋量子数之和S=1，2S+1=3，因而基态的氧分子自旋多重性为3，称为三线态氧。

在受激发下，氧气分子的两个未配对电子发生配对，自旋量子数的代数和S=0，2S+1=1，称为单线态氧。

空气中的氧气绝大多数为三线态氧。紫外线的照射及一些有机分子对氧气的能量传递是形成单线态氧的主要原因。单线态氧的氧化能力高于三线态氧。

单线态氧的分子类似烯烃分子，因而可以和双烯发生狄尔斯-阿尔德反应。

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化学性质 氧气的化学性质比较活泼。除了稀有气体、活性小的金属元素如金、铂、银之外，大部分的元素都能与氧气反应，这些反应称为氧化反应，而经过反应产生的化合物（有两种元素构成，且一种元素为氧元素）称为氧化物。一般而言，非金属氧化物的水溶液呈酸性，而碱金属或碱土金属氧化物则为碱性。此外，几乎所有的有机化合物，可在氧中剧烈燃生成二氧化碳与水。化学上曾将物质与氧气发生的化学反应定义为氧化反应，氧化还原反应指发生电子转移或偏移的反应。氧气具有助燃性，氧化性。

氧气出现光合作用

地球的大气层形成初期是不含氧气的。原始大气是还原性的，充满了甲烷、氨等气体。

大气层氧气的出现源于两种作用，一个是非生物参与的水的光解，一个是生物参与的光合作用。

生物的光合作用对大气层的影响巨大。它造成了大气层由还原氛围向氧化氛围的转变。使得水光解产生的氢气能重新被氧化为水回到地球而不至于扩散到外层空间去，从而防止了地球上的水的流失。同时光合作用也加速了大气层氧气的积累，深刻地改变了地球上物种的代谢方式和体型。大气层含氧量在石炭纪的时候一度上升到了35%。氧气含量的增加造成了依赖于渗透方式输氧的昆虫在体型上的巨型化。在石炭纪曾出现过翼展2英尺半的巨蜻蜓。

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