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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。
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。
