Молекулярный кислород в основном состоянии — парамагнет с двумя неспаренными электронами на antibonding орбиталях.

Кислород O₂ — один из немногих молекул, демонстрирующих парамагнитные свойства в основном состоянии. Это объясняется наличием двух неспаренных электронов на антисвязывающих орбиталях, что противоречило классической теории валентности. Открытие парамагнетизма кислорода стало возможным благодаря развитию методов спектроскопии и магнитных измерений в начале XX века. Это явление потребовало коренного пересмотра понимания природы химической связи и стало одной из важных предпосылок для развития теории молекулярных орбиталей, которая объяснила, почему электроны в молекуле O₂ распределяются именно таким образом. Практическое значение парамагнитных свойств кислорода огромно. Именно наличие неспаренных электронов делает молекулу O₂ активной и способной участвовать в радикальных реакциях. Это определяет кинетику горения и окисления — процессов, лежащих в основе энергетики, от сжигания топлива до биологического дыхания. Парамагнетизм кислорода используется в аналитических методах, включая магнитную восприимчивость для определения концентрации O₂ в газовых смесях. Интересно, что озон O₃, напротив, в основном состоянии диамагнитен, несмотря на химическую близость к O₂. Парамагнитные свойства кислорода также объясняют его способность выстраиваться в магнитном поле — эффект, используемый в кислородных сепараторах и в некоторых типах жидких топлив.