兩個氧，兩個原子，一個意外
氧是第 16 族——氧族元素——的族長，它日常的面孔是雙原子分子[[dioxygen-and-ozone|雙氧]] O2，你此刻呼吸的空氣裡有五分之一就是它。天真地想，你或許會給它畫一個齊整的路易斯雙鍵 O=O，每個電子都成雙成對。這幅圖預言它是一個抗磁性的分子，會被磁鐵排斥。可把液氧傾倒在磁鐵的兩極之間，它竟肉眼可見地黏附在那裡，泛著淡藍、依依不去：O2 是順磁性的，它帶有未成對電子。那幅看上去人畜無害的雙鍵圖，在最基本的磁學事實上就錯了，而這個失敗，正是你兩級之前見過的分子軌道圖像最有力的賣點之一。
把 O2 的分子軌域按順序填滿，最後兩個電子只能進入一對能量相等的反鍵軌域（兩條 pi-star 軌域）。依照支配原子的同一條洪特規則，它們會一條各佔一個、自旋平行地鋪開，而不是擠進同一條軌域。於是 O2 帶著兩個未成對電子——它是一個雙自由基——而這恰恰就是它有磁性的原因。記帳下來淨鍵級仍是二（淨成鍵相當於一個雙鍵），所以「O=O」並不是糟糕的速記；但唯有關於氧順磁性的分子軌域解釋才把自旋說對。請記住這個雙自由基的概念：它解釋了為什麼氧儘管活潑，反應起來卻又出奇地*慢*。
臭氧：同樣的原子折成一個彎三角
拿三個氧原子而不是兩個，你就得到臭氧 O3，氧那活潑的同素異形體——同一種元素、不同的分子，正如金剛石與石墨都是碳。臭氧不是直線形的；它是一個彎曲的分子，O-O-O 鍵角接近 117 度，中心的那個氧帶著一對孤對電子，把兩端往下壓（用一下成鍵階梯裡的 VSEPR 推理）。它的兩根 O-O 鍵長度完全相同，介於單鍵與雙鍵之間，因為真正的成鍵是一套塗抹在全部三個原子上的離域 pi 體系——最好畫成兩個[[oxides-peroxides-superoxides|共振]]結構的平均，或者老老實實畫成一團三中心的 pi 電子雲。臭氧呈淡藍色，氣味刺鼻（雷雨之後或影印機旁你能聞到它），是一種遠比普通 O2 兇猛的氧化劑。
臭氧最著名的家在平流層，離地十五到三十公里高，那裡一層稀薄的臭氧層吸收著太陽最刺骨的紫外線。其中的化學是一個穩定的循環：高能紫外線把 O2 劈成氧原子，這些原子又抓住別的 O2 分子生成 O3，而 O3 轉過來吸收紫外線、再裂解回去——一面自我更新的盾牌，把危險的輻射轉化為熱。氟氯碳化物（CFCs）的危險在於：它們完好無損地飄上高空後，被紫外線裂開、釋放出氯原子，而單單一個 Cl 原子在被清除之前，能催化地摧毀成千上萬個臭氧分子。這就是為什麼*高空的*臭氧具有保護作用，而*地面的*臭氧——煙霧裡貼地的那種——卻是一種有害的污染物：同一種分子，相反的判詞，全憑海拔來定奪。
讀懂一種氧化物：酸性、鹼性、兩性、中性
氧幾乎能與每一種元素反應生成氧化物，而本篇指南裡最有用的一個想法，就是把一種氧化物的分類——酸性、鹼性、兩性或中性——當作它那另一種元素在週期表中位置的直接讀數。鹼性氧化物指的是與水反應生成鹼、或能中和酸的那種——它們是金屬的氧化物，比如 Na2O 溶解生成 NaOH，或 CaO（生石灰）熟化成 Ca(OH)2。酸性氧化物則相反，與水反應生成酸、或能中和鹼——它們是非金屬的氧化物，比如 CO2 生成碳酸、SO3 生成硫酸，或 N2O5 生成硝酸。這個規律不過是順著一個週期裡從金屬到非金屬的漸變在走。
標籤背後的機理，是電負性以及由此而來的 M-O 鍵的性質。在金屬氧化物裡，金屬用一根非常離子化的鍵拽住氧，於是氧離子 O2- 可以自由地從水裡奪一個質子、把它變成氫氧根——鹼性。在非金屬氧化物裡，與氧之間的鍵是共價並極化的，中心原子因而缺電子，使整個單元渴望接受一個氫氧根、或作為含氧酸甩掉一個 H+——酸性。有趣的中間地帶，屬於處在金屬-非金屬階梯線上的那些元素：它們的氧化物是[[amphoterism|兩性]]的，意思是它們*既*與酸反應*又*與鹼反應。氧化鋁就是經典的例子——兩性的 Al2O3 溶於酸給出 Al3+，溶於強鹼給出鋁酸根離子——它的兩性是一份化學自白，承認鋁正好坐在金屬與非金屬的分界線上。
Across a period, oxide character tracks the element:
metal --------------- metalloid --------------- nonmetal
Na2O MgO Al2O3 SiO2 P4O10 SO3 Cl2O7
basic basic AMPHO weak acidic acidic acidic
-teric acidic
basic oxide + acid -> salt + water (metal oxides)
acidic oxide + base -> salt + water (nonmetal oxides)
amphoteric + acid -> salt + water
amphoteric + base -> salt + water (does BOTH)
neutral oxide : CO, N2O, NO (no acid OR base reaction)
Same element, higher oxidation state = more acidic oxide:
MnO (basic) < Mn2O7 (acidic)兩條誠實的補充使這幅圖完整。其一，有少數氧化物是中性的——一氧化碳 CO、一氧化二氮 N2O、一氧化氮 NO，與水既不給酸也不給鹼；但別把「中性」誤當成「不活潑」，因為 CO 和 NO 在別的方面都相當生猛。其二，對同一種元素而言，*氧化態*會撥動這架天平：元素的氧化態越高，它的氧化物越偏酸性。鉻把這一點展示得乾淨俐落——CrO（鉻 +2）是鹼性，Cr2O3（+3）是兩性，而 CrO3（+6）則強烈地呈酸性。這個趨勢講得通，因為更高的氧化態意味著中心原子更缺電子、把氧拽得更緊，這跟沿著一個週期走是同一個道理。
過氧化物、超氧化物，與氧氧化態的階梯
我們習慣把氧的氧化態定為 -2，絕大多數時候這都沒錯。但請記住氧化還原階梯裡的那句告誡：氧化態是一種*記帳工具*，是對「共享電子名義上歸誰」的一種約定記法，而不是真正測出來的電荷。氧有一個由還原得沒那麼徹底的形式組成的小家族，按它們的 O-O 單元把它們認出來，能讓你不至於把一個化學式讀錯。普通的氧化物含有孤立的離子 O2-（氧處於 -2）。一種[[oxides-peroxides-superoxides|過氧化物]]含有 O-O 單鍵的單元 O2^2-，其中每個氧都處於 -1 這個不尋常的態；過氧化氫 H-O-O-H 就是它的分子成員。一種超氧化物含有 O2-，那是多出一個電子的自由基陰離子，其中氧平均為 -1/2。
這些形式並非什麼奇珍異物——一種金屬究竟給出哪一種，會暴露它的大小與軟度，這個規律你在 s 區那一級已直接見過。燒鋰，你得到樸素的氧化物 Li2O；燒鈉，更大的 Na+ 把過氧化物 Na2O2 穩住；燒更大的鉀、銣或銫，你就得到超氧化物 KO2。一個大體積、軟、低電荷的陽離子，沒法把大塊的 O2^2- 或 O2- 陰離子極化到讓它們塌縮成氧化物，於是任由它們存活。KO2 甚至有一份實打實的工作：它與呼出的 CO2 反應、放出 O2，所以潛艇和航天器裡的再呼吸器中都鋪著它。
過氧化氫值得專門一提，因為處於 -1 的氧夾在自己氧化還原階梯的當中，因而坐立不安。過氧化氫 H2O2 既能被*氧化*升到 O2（交出電子），也能被*還原*降到水（接收電子），所以面對不同的對手，它時而當氧化劑、時而當還原劑。更妙的是，它能與自身反應：2 H2O2 -> 2 H2O + O2，其中一部分過氧化物的氧降到 -2（水），其餘的升到 0（雙氧）。同一種元素，從同一個起始態出發，一下子分裂成一個更高態和一個更低態——這就是[[disproportionation|歧化]]，你在氧化還原階梯裡按名字認識過的那種自身氧化還原，而氧的 -1 形式正是它的教科書範例。這恰恰就是為什麼過氧化氫的瓶子要避光、冷藏，還會慢慢冒泡：它們正在悄悄地歧化。
水，以及作為偉大氧化劑的氧
完全被還原、處於 -2 並與兩個氫成鍵的氧，就是水——地球上最尋常的分子，而且並非巧合地，是早先各級裡幾乎所有酸鹼與氧化還原化學的參照溶劑。它彎曲的形狀（約 104.5 度，兩對孤對把 H-O-H 鍵角擠到低於四面體的數值）以及 O-H 鍵的強極性，賦予它一張密集的氫鍵網絡。正是這張網絡，使水在室溫下是液體、而更重的氧族氫化物 H2S 卻是氣體，使冰會上浮，也使水能溶解並穩定那些讓水溶液無機化學得以成立的離子。水是氧那安定、完全被還原的基態——就是我們剛剛拾級而下、其中段（過氧化物、超氧化物）已走過的那架梯子的最底層。
退後一步，整篇指南的統一主題便清晰起來：氧是那位偉大的氧化劑，電負性僅次於氟，而單單這一個事實，就把無機化學的一大片版圖組織了起來。鐵會生鏽，是因為氧把電子從金屬上拽走（腐蝕就是露天進行的電化學）。燃料燃燒、食物被代謝、火箭升空，都因為氧接收了那些富能分子急於交出的電子。當你在氧化還原階梯裡指認[[oxidizing-and-reducing-agents|氧化劑與還原劑]]時，擔任氧化者的幾乎總是氧——正是它高昂的電負性，讓幾乎其餘的一切都想把電子遞給它。粗略說來，約三分之二的元素是以與氧結合的形式作為其最常見的天然形態與我們相遇的：一種礦石、一種矽酸鹽、一種碳酸鹽。氧不只是參與無機化學；在地質尺度的時間裡，它已經把無機化學*重寫*了一遍。