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超氧離子（O2−）和超氧化氫自由基在水溶液中處於化學平衡狀態：
這個質子化與電離的平衡，pKa為4.88[2]。因此，典型細胞中大約0.3%的超氧化物處於被質子化的超氧化氫自由基狀態。
與主要作為還原劑的超氧離子不同，HO2在許多重要的生物反應中是氧化劑，比如在磷脂雙分子層中從維生素E和多元不飽和脂肪酸中奪取氫原子的反應。因此，它可能是脂質過氧化反應中的一種重要誘發劑。
由於介電常數對pKa有重要影響，且空氣的電介質常數很低，超大氣中的生產（光化學）幾乎完全使用超氧化氫。超氧化氫是相當被動的，它通過降解有機污染物，來作為大氣層的「清潔劑」。因此，超氧化氫的化學性質對地球化學十分重要。
超氧化氫會參與破壞平流層臭氧的循環反應。它也存在於對流層，在這裡它實質上是一氧化碳和烴類被羥基自由基氧化的副產物。[1]
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