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人們對氧的同素異形體有著各種認知。其中最熟悉的是雙氧（O2），大量存在於地球大氣層，也被稱為分子氧或三線態氧。另一個是高活性的臭氧（O3）。其他包括：
地球上最普遍的氧元素的同素異形體，即分子氧，其化學式為O2。氧元素是最普遍的形式，大約占大氣的21%。O2的鍵長為121pm，鍵能為498 kJ/mol。[2]
氧氣本身是一種沸點-183°C的無色氣體。[3] 可以在空氣中被沸點為-196°C的液氮冷凝。液態氧顏色為淡藍色，具有明顯順磁性——用繩子懸掛著的裝著液氧的燒瓶能被磁鐵吸引。
單線態氧或單態氧是一種俗名，用來描述兩種亞穩態的氧分子（O2），其能量高於基態三重態氧。因為它們電子層存在區別，單態氧和三重態氧有著各不相同的化學性質，包括 狄爾斯－阿爾德反應，或者吸收或發出不同波長的光。單態氧可以在光敏過程中在染料分子的能量轉換下產生，比如玫瑰紅，亞甲基藍或卟啉，或者通過化學過程比如過三氧化氫在水中的自發分解或者過氧化氫與次氯酸鹽的反應。
三原子氧（臭氧，O3），是一種非常活潑的氧的同素異形體，會對橡膠和紡織品這樣的材料造成破壞，同樣也會損害肺組織。[4] 由電動馬達、雷射印表機和複印機中產生，通過它氯一樣的氣味可以檢測到它的存在。[3] 它在1840年被克里斯蒂安·弗雷德日稱為「臭氧」，希臘單詞 ὠζώ (ozo) 表示它的氣味。[5]
在熱力學上臭氧比二分子氧更不穩定，臭氧由O2與原子氧反應生成，而原子氧來自於被大氣層上層的紫外線分解的O2。[5]臭氧對紫外線有強大的吸收能力，為生物圈提供一個保護罩用以抵禦基因突變與其他紫外線造成的破壞性影響。[5] 臭氧形成於近地球表面通過光分解由汽車排放的二氧化氮。[6]對流層臭氧是一種對人體有害的空氣污染物，會引起心臟和肺部疾病比如肺氣腫, 支氣管炎,以及哮喘。[7] 免疫系統為了抗菌的目的也會產生臭氧。[8] 液態與固態O3 有著比普通氧更深的藍色且不穩定、易爆。[5][9]
臭氧是一種淡藍色氣體，可以被凝結成暗藍色液體。臭氧會在空氣放電時形成，有著新割的草的刺鼻氣味，或者對於那些生活在城市環境的人，在隧道里聞到的所謂的「電氣氣味」。
氧4在早在20世紀初就被預測到存在，當它被認識到是四原子氧，並且在2001年被羅馬大學的F.Cacace帶領的團隊鑑定出來。在被鑑定為O
8之後，O
4分子被認為是固態氧的一個相。Cacace的團隊認為O
4可能由兩個啞鈴狀O
2分子在范德華力作用下鬆散地結合在一起。
固態氧有六種已知的不同相，其中一種是暗紅色O
8簇狀。當氧受到96 GPa的壓力時，將變為金屬狀，方式類似於金屬氫，[10]且變得更接近硫族元素（氧族元素中除了氧以外的元素），比如碲和釙，都表現出金屬特性。在非常低的溫度下，這一相位也會成為超導體。
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