در شرایط استاندارد دما و فشار، اکسیژن، گازی بدون بو، رنگ و مزه، با فرمول شیمیایی O۲ است که خود از دو اتم اکسیژن تشکیل شدهاست.
پیوند میان دو اتم اکسیژن در یک مولکول اکسیژن، میتواند بر اساس نظریههای مختلفی تفسیر داده شود با اینحال، منطقی است که آن را یک پیوند دوگانه کووالانسی درنظر گرفت که در اثر پر شدن اوربیتالهای مولکولی با الکترونهای مهیا شده از دو اتم مجزای اکسیژن ایجاد میشود، بهصورت دقیقتر، این پیوند دوگانه مطابق اصل آفبا از پر شدن متوالی اوربیتالهای مولکولی در یک مولکول اکسیژن، با ترتیب چینش از انرژی کم به انرژی زیاد، ایجاد میشود.
پیوندهای سیگما (σ) و سیگما استار (*σ) ناشی از همپوشانی بهترتیب پیوندی و ضدپیوندی اوربیتالهای 2s دو اتم اکسیژن، یکدیگر را خنثی میکنند، پیوند سیگمای ناشی از همپوشانی اوربیتالهای 2p دو اتم اکسیژن، عامل ایجاد پیوند یگانه اکسیژن-اکسیژن (O-O) هستند و پیوند پای (π) حاصل از همپوشانی جانبی اوربیتالهای 2p این دو اتم است.
بهعلت حضور دو الکترون در اوربیتال ضدپیوندی پای استار (*π)، بخشی از همپوشانی اوربیتالی پای پیوندی خنثی میشود که در نتیجه آن پیوند موجود در یک مولکول اکسیژن دار کاهش رتبه پیوند شده و خصلتی دوگانه و دارای واکنشپذیری بالا پیدا میکند، آرایش الکترونی اکسیژن در حالت پایه خود به علت داشتن دو الکترون منفرد و جفت نشده، اصطلاحاً سهتایی نامیده میشود.
اکسیژن سهتایی مولکولی پارامغناطیس است که این خصلت ناشی از وجود دو الکترون جفت نشده در ساختار آن است، زمانی که اکسیژن سهتایی در مجاورت میدان مغناطیسی قرار میگیرد، گشتاور مغناطیسی اسپینی این الکترونها و همچنین تبادل انرژی بین مولکولهای اکسیژن نزدیک، موجب میشود که اکسیژن خصلتی مغناطیسی پیدا کند.
اکسیژن مایع بهقدری مغناطیسی است که در مشاهدات آزمایشگاهی، پلی از اکسیژن مایع، میتواند وزن خود را بین قطبهای یک آهنربای قوی تحمل کند.
اکسیژن سهتایی به علت داشتن دو الکترون جفتنشده به آرامی با اغلب ترکیبات آلی واکنش میکند، چرا که آنها دارای الکترونهای جفتشده هستند و میل ترکیبی کمتری دارند، در نتیجه این موضوع سبب میشود که جلوی احتراق خودبهخودی این ترکیبات گرفته شود.
اکسیژن میتواند حالت الکترونی دیگری نیز داشته باشد و آن حالت اکسیژن یکتایی است. اکسیژن یکتایی همانند مورد سهتایی دارای فرمول O۲ است، با این تفاوت که از لحاظ الکترونی، فاقد الکترون جفت نشدهاست و تمامی الکترونهای موجود در اوربیتالهای مولکولی آن به صورت جفتشده بهسر میبرند.
اکسیژن یکتایی در مقابل ترکیبات آلی متداول واکنشپذیری بسیار بالاتری از خود نشان میدهد، به صورت طبیعی، اکسیژن یکتایی در طول فتوسنتز با کمک نور خورشید از آب تولید میشود، این گونه همچنین در تروپوسفر و بر اثر نورکافت مولکولهای ازون بهوسیله پرتوهای خورشیدی پرقدرت و دارای طول موج کوتاه نیز تولید میشود.
اکسیژن یکتایی همچنین توسط سیستم ایمنی بدن نیز تولید میشود. در جاندارانی که فتوسنتز میکنند، کاروتنوئیدها نقشی اساسی در جذب انرژی از اکسیژن یکتایی و تبدیل آن به حالت پایدارتر برای جلوگیری از آسیب رسانی به بافتها را دارند.
