על פי מחקר שפורסם בעיתון המדעיNature יאזל החמצן מכדור הארץ בעוד כ-1.08 מיליארד שנה. הסיבה העיקרית לכך תהיה "הזדקנות"השמש. ככל שהשמש "תתבגר", היא תהפוך בהירה יותר. הבהירות הזו תחמם את פני שטח כדור הארץ, תגדיל את קצב פירוקגזי החממה, תערער אתמחזור הפחמן, מה שבעיתו יימנע מהצמחים לבצעפוטוסינתזה, אותו תהליך המייצר את החמצן[1][2].
טמפרטורת ההתכה של חמצן היא 218.79-מעלות צלזיוס וטמפרטורת הרתיחה שלו היא 182.96- מעלות צלזיוס. מסתו האטומית 15.9994 וסידור האלקטרונים שלו הוא 2,6. הערכיות של החמצן היא 2-.
החמצן הוא יסוד אל-מתכתי המופיע בצורתו הטבעית כמולקולת O2, והוא גז בטמפרטורת החדר. שני אטומי החמצן שבמולקולה קשורים ביניהם בקשר קוולנטי כפול (O=O). האלוטרופאוזון (O3) הואגז רעיל, והאלוטרופ O4 הוא בעל צבע אדום כשהוא מוצק.O4 מתקבל בהפעלת לחץ של 20 ג'יגה-פסקל על O2. צורה זו של חמצן היאחומר מחמצן חזק יותר מאוזון או מחמצן אטמוספירי.
החמצן הופק על ידי מיכאל סנדיבוג (Michał Sędziwój, Michael Sendivogius),כימאי ופילוסוףפולני, בשלהיהמאה ה-16[3] באמצעות חימום שלאשלגן חנקתי. סנדיבוג קרא לגז שהשתחרר "מזון החיים".
מאוחר יותר הופק שוב החמצן באופן דומה על ידי הכימאי השוודיקרל וילהלם שלה בשנת1773. במקביל, ייצר האנגליג'וזף פריסטלי חמצן כאשר ב-1 באוגוסט1774 חימם תחמוצתכספית. פריסטלי פרסם את ממצאיו ב-1775 ושלה ב-1777, מה שמסביר את הנטייה הרווחת בספרי ההיסטוריה לייחס את גילוי החמצן לפריסטלי. גם שלה וגם פריסטלי לא זיהו את החמצן כיסוד כימי, כיוון שהחזיקו בתורת הפלוגיסטון ופירשו את ממצאיהם באמצעותה. פריסטלי פיתח שיטה לבדיקת "הטוהר היחסי" כלומר של כמות הפלוגיסטון של אוויר באמצעות תגובה עם הגז NO ומדידת נפח ה-NO2 הנפלט. ב-1775 גילה פריסטלי כי ה"אוויר" הנפלט מחימום תחמוצת הכספית, מגיב עם יותר NO מאשר אוויר רגיל וקרא לו "אוויר נטול פלוגיסטון".[4] מאוחר יותר גילה פריסטלי כי צמחים פולטים את אותו "אוויר נטול פלוגיסטון".
אנטואן לבואזיה ערך ניסויים רבים בחמצן והראה כי זהו המרכיב באוויר המתרכב עם גפרית לקבלתחומצה גופרתית ועם זרחן בתגובה הנתנתחומצה זרחתית. לבואזיה היה הראשון לזהות את החמצן כיסוד. זיהוי זה והבנת תפקיד החמצן בבעירה, הביאה לסופה את תורת הפלוגיסטון ששלטה בכימיה שלהמאה ה-18. לבואזיה קרא תחילה ליסוד בשם "אוויר אוויר טוב לנשימה" ובשנת 1779 הציע לקרוא לו Principe oxygine כלומר "היסוד יוצר החומצות".
המילה חמצןחודשה על ידייחיאל מיכל פינס מהשורש ח.מ.צ לפי המילה הלועזית oxygen שמקורה במונח שטבעלבואזיה principe oxigine: "יסוד יוצר־חומצות" (ביוונית ὀξύς (אוקסיס) - חומצה);אליעזר בן-יהודה הציע את המילה "אבחמץ" שלא נקלטה.[6]
לקראת סוף חייו שלכוכב ענק, נוצרים האיזוטופים16O (בקליפת ה-O),17O (בקליפת ה-H) ו-18O (בקליפת ה-He).
לחמצן 3איזוטופיםיציבים טבעיים (, ו-), ובנוסף התגלו עוד 14רדיו-איזוטופים מ- ועד, אשר לכולםזמן מחצית החיים קצר. הוא הרדיו-איזוטופ של חמצן בעל זמן מחצית החיים הכי ארוך - 122.24 שניות.
באגמים, בנחלים ובימים, החמצן נפוץ הרבה פחות בשל מסיסותו הנמוכה במים. כ-6 מ"ל של חמצן נמסים בכל ליטר מים, כלומר ריכוז החמצן במים קטן פי 30 מריכוזו באוויר. החמצן מגיע למים מהאוויר על ידיהמסה, וכן כתוצר הפוטוסינתזה המתרחשת באצות ובצמחים הגדלים במים.
תהליך ההתרכבות של חומר אורגני עם חמצן נקראבעירה, וכתוצר שלו משתחררפחמן דו-חמצני (ובבעירה בתנאים של מחסור בחמצן נוצרפחמן חד-חמצני). תהליך זה מאפשר המרת מזון לאנרגיה בתהליך הנקראנשימה אווירנית (בניגוד לנשימהאל-אווירנית). ביצורים מורכבים המכילים מחזור דם, ישנם תאים מיוחדים שתפקידם לסייע בהעברת החמצן לכל חלקי הגוף, ונקראיםתאי דם אדומים.
יחד עם נחיצותו של החמצן לחיים המוכרים לנו, מולקולת החמצן (O2), שהיאדו-רדיקל, מהווה רעלן לתאים. בכל תאאווירני קיימים מנגנונים מיוחדים שנועדו להגן על התא מפני הנזק. כיום משערים חוקרים כי הגורם העיקרי להזדקנות הוא הרס הדרגתי שלהחומר הגנטי בתא על ידי רדיקלים כמו חמצן (וראונוגדי חמצון). למרות הנזק הרב שצורוני חמצן ריאקטיבים עלולים לגרום, יש לרדיקלים אלו תפקיד בתאי הגוף, כגון, מנגנון פירוקחיידקים בתאיםלימפוציטים או על ידי תאי הזרע במהלך ההפריה.
תחמוצת היא תוצר תהליך התרכבות של חמצן עם חומר (לדוגמה: פחמן דו-חמצני, תחמוצת החנקן, תחמוצת הסידן וכדומה). תהליך זה בברזל נקראקורוזיה (שיתוך), ונחשב לתהליך הפוגע בחוזקן של מתכות מעובדות.
מולקולת חמצן עשויה להימצא במצב מעורר בו הספינים של האלקטרונים האנטי-קושרים הפוכים, כלומר במצב של סינגלט מגנטי שבו המולקולה דיא-מגנטית. ייתכנו שני מצבים כאלו: כאשר 2 האלקטרונים מאכלסים אותו אורביטל אנטי קושר (המעבר למצב מעורר זה על ידי בליעה ב-1268nm) או (מצב גבוה יותר באנרגיה) כששני האלקטרונים בשני אורביטלים אנטי-קושרים מסתדרים בספינים הפוכים (המעבר למצב מעורר זה על ידי בליעה ב-762nm).
חשיפה לריכוזי חמצן הגבוהים מריכוזו באוויר מסוכנת ויכולה לגרום לעיוורון, למשל בפגים המקבלים אותו בריכוז גבוה מדי באינקובטור.
על אף שהחמצן עצמו אינו בוער, הוא מסייע ומאיץ בעירה קיימת, ותכונות אלו מחייבות נקיטתאמצעי בטיחות בשימוש בחמצן.
נגזרות מסוימות של חמצן, כמואוזון (O3),מי חמצן (H2O2),על-תחמוצות שונות ועוד, מהוות חומרים מסוכנים.
נגזרות חמצן נוטות ליצור בגוףרדיקלים חופשיים, בעיקר בתהליכיםמטבוליים. רדיקלים חופשיים יכולים לגרום לנזק לתאי הגוף ול-DNA, ובכך הם עלולים לגרום להאצת תהליך ההזדקנות, ואף לסרטן.