两个氧，两个原子，一个意外
氧是第 16 族——氧族元素——的族长，它日常的面孔是双原子分子[[dioxygen-and-ozone|双氧]] O2，你此刻呼吸的空气里有五分之一就是它。天真地想，你或许会给它画一个齐整的路易斯双键 O=O，每个电子都成双成对。这幅图预言它是一个抗磁性的分子，会被磁铁排斥。可把液氧倾倒在磁铁的两极之间，它竟肉眼可见地黏附在那里，泛着淡蓝、依依不去：O2 是顺磁性的，它带有未成对电子。那幅看上去人畜无害的双键图，在最基本的磁学事实上就错了，而这个失败，正是你两级之前见过的分子轨道图像最有力的卖点之一。
把 O2 的分子轨道按顺序填满，最后两个电子只能进入一对能量相等的反键轨道（两条 pi-star 轨道）。依照支配原子的同一条洪特规则，它们会一条各占一个、自旋平行地铺开，而不是挤进同一条轨道。于是 O2 带着两个未成对电子——它是一个双自由基——而这恰恰就是它有磁性的原因。记账下来净键级仍是二（净成键相当于一个双键），所以“O=O”并不是糟糕的速记；但唯有关于氧顺磁性的分子轨道解释才把自旋说对。请记住这个双自由基的概念：它解释了为什么氧尽管活泼，反应起来却又出奇地*慢*。
臭氧：同样的原子折成一个弯三角
拿三个氧原子而不是两个，你就得到臭氧 O3，氧那活泼的同素异形体——同一种元素、不同的分子，正如金刚石与石墨都是碳。臭氧不是直线形的；它是一个弯曲的分子，O-O-O 键角接近 117 度，中心的那个氧带着一对孤对电子，把两端往下压（用一下成键阶梯里的 VSEPR 推理）。它的两根 O-O 键长度完全相同，介于单键与双键之间，因为真正的成键是一套涂抹在全部三个原子上的离域 pi 体系——最好画成两个[[oxides-peroxides-superoxides|共振]]结构的平均，或者老老实实画成一团三中心的 pi 电子云。臭氧呈淡蓝色，气味刺鼻（雷雨之后或复印机旁你能闻到它），是一种远比普通 O2 凶猛的氧化剂。
臭氧最著名的家在平流层，离地十五到三十公里高，那里一层稀薄的臭氧层吸收着太阳最刺骨的紫外线。其中的化学是一个稳定的循环：高能紫外线把 O2 劈成氧原子，这些原子又抓住别的 O2 分子生成 O3，而 O3 转过来吸收紫外线、再裂解回去——一面自我更新的盾牌，把危险的辐射转化为热。氟氯碳化物（CFCs）的危险在于：它们完好无损地飘上高空后，被紫外线裂开、释放出氯原子，而单单一个 Cl 原子在被清除之前，能催化地摧毁成千上万个臭氧分子。这就是为什么*高空的*臭氧具有保护作用，而*地面的*臭氧——烟雾里贴地的那种——却是一种有害的污染物：同一种分子，相反的判词，全凭海拔来定夺。
读懂一种氧化物：酸性、碱性、两性、中性
氧几乎能与每一种元素反应生成氧化物，而本篇指南里最有用的一个想法，就是把一种氧化物的分类——酸性、碱性、两性或中性——当作它那另一种元素在周期表中位置的直接读数。碱性氧化物指的是与水反应生成碱、或能中和酸的那种——它们是金属的氧化物，比如 Na2O 溶解生成 NaOH，或 CaO（生石灰）熟化成 Ca(OH)2。酸性氧化物则相反，与水反应生成酸、或能中和碱——它们是非金属的氧化物，比如 CO2 生成碳酸、SO3 生成硫酸，或 N2O5 生成硝酸。这个规律不过是顺着一个周期里从金属到非金属的渐变在走。
标签背后的机理，是电负性以及由此而来的 M-O 键的性质。在金属氧化物里，金属用一根非常离子化的键拽住氧，于是氧离子 O2- 可以自由地从水里夺一个质子、把它变成氢氧根——碱性。在非金属氧化物里，与氧之间的键是共价并极化的，中心原子因而缺电子，使整个单元渴望接受一个氢氧根、或作为含氧酸甩掉一个 H+——酸性。有趣的中间地带，属于处在金属-非金属阶梯线上的那些元素：它们的氧化物是[[amphoterism|两性]]的，意思是它们*既*与酸反应*又*与碱反应。氧化铝就是经典的例子——两性的 Al2O3 溶于酸给出 Al3+，溶于强碱给出铝酸根离子——它的两性是一份化学自白，承认铝正好坐在金属与非金属的分界线上。
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)两条诚实的补充使这幅图完整。其一，有少数氧化物是中性的——一氧化碳 CO、一氧化二氮 N2O、一氧化氮 NO，与水既不给酸也不给碱；但别把“中性”误当成“不活泼”，因为 CO 和 NO 在别的方面都相当生猛。其二，对同一种元素而言，*氧化态*会拨动这架天平：元素的氧化态越高，它的氧化物越偏酸性。铬把这一点展示得干净利落——CrO（铬 +2）是碱性，Cr2O3（+3）是两性，而 CrO3（+6）则强烈地呈酸性。这个趋势讲得通，因为更高的氧化态意味着中心原子更缺电子、把氧拽得更紧，这跟沿着一个周期走是同一个道理。
过氧化物、超氧化物，与氧氧化态的阶梯
我们习惯把氧的氧化态定为 -2，绝大多数时候这都没错。但请记住氧化还原阶梯里的那句告诫：氧化态是一种*记账工具*，是对“共享电子名义上归谁”的一种约定记法，而不是真正测出来的电荷。氧有一个由还原得没那么彻底的形式组成的小家族，按它们的 O-O 单元把它们认出来，能让你不至于把一个化学式读错。普通的氧化物含有孤立的离子 O2-（氧处于 -2）。一种[[oxides-peroxides-superoxides|过氧化物]]含有 O-O 单键的单元 O2^2-，其中每个氧都处于 -1 这个不寻常的态；过氧化氢 H-O-O-H 就是它的分子成员。一种超氧化物含有 O2-，那是多出一个电子的自由基阴离子，其中氧平均为 -1/2。
这些形式并非什么奇珍异物——一种金属究竟给出哪一种，会暴露它的大小与软度，这个规律你在 s 区那一级已直接见过。烧锂，你得到朴素的氧化物 Li2O；烧钠，更大的 Na+ 把过氧化物 Na2O2 稳住；烧更大的钾、铷或铯，你就得到超氧化物 KO2。一个大体积、软、低电荷的阳离子，没法把大块的 O2^2- 或 O2- 阴离子极化到让它们塌缩成氧化物，于是任由它们存活。KO2 甚至有一份实打实的工作：它与呼出的 CO2 反应、放出 O2，所以潜艇和航天器里的再呼吸器中都铺着它。
过氧化氢值得专门一提，因为处于 -1 的氧夹在自己氧化还原阶梯的当中，因而坐立不安。过氧化氢 H2O2 既能被*氧化*升到 O2（交出电子），也能被*还原*降到水（接收电子），所以面对不同的对手，它时而当氧化剂、时而当还原剂。更妙的是，它能与自身反应：2 H2O2 -> 2 H2O + O2，其中一部分过氧化物的氧降到 -2（水），其余的升到 0（双氧）。同一种元素，从同一个起始态出发，一下子分裂成一个更高态和一个更低态——这就是[[disproportionation|歧化]]，你在氧化还原阶梯里按名字认识过的那种自身氧化还原，而氧的 -1 形式正是它的教科书范例。这恰恰就是为什么过氧化氢的瓶子要避光、冷藏，还会慢慢冒泡：它们正在悄悄地歧化。
水，以及作为伟大氧化剂的氧
完全被还原、处于 -2 并与两个氢成键的氧，就是水——地球上最寻常的分子，而且并非巧合地，是早先各级里几乎所有酸碱与氧化还原化学的参照溶剂。它弯曲的形状（约 104.5 度，两对孤对把 H-O-H 键角挤到低于四面体的数值）以及 O-H 键的强极性，赋予它一张密集的氢键网络。正是这张网络，使水在室温下是液体、而更重的氧族氢化物 H2S 却是气体，使冰会上浮，也使水能溶解并稳定那些让水溶液无机化学得以成立的离子。水是氧那安定、完全被还原的基态——就是我们刚刚拾级而下、其中段（过氧化物、超氧化物）已走过的那架梯子的最底层。
退后一步，整篇指南的统一主题便清晰起来：氧是那位伟大的氧化剂，电负性仅次于氟，而单单这一个事实，就把无机化学的一大片版图组织了起来。铁会生锈，是因为氧把电子从金属上拽走（腐蚀就是露天进行的电化学）。燃料燃烧、食物被代谢、火箭升空，都因为氧接收了那些富能分子急于交出的电子。当你在氧化还原阶梯里指认[[oxidizing-and-reducing-agents|氧化剂与还原剂]]时，担任氧化者的几乎总是氧——正是它高昂的电负性，让几乎其余的一切都想把电子递给它。粗略说来，约三分之二的元素是以与氧结合的形式作为其最常见的天然形态与我们相遇的：一种矿石、一种硅酸盐、一种碳酸盐。氧不只是参与无机化学；在地质尺度的时间里，它已经把无机化学*重写*了一遍。