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二氧化氮是氮氧化物之一。室温下为有刺激性气味的红棕色顺磁性气体，易溶于水，溶于水部分生成硝酸和一氧化氮。二氧化氮吸入后对肺组织具有强烈的刺激性和腐蚀性。作为氮氧化物之一的二氧化氮，是工业合成硝酸的中间产物，也是一种主要的大气污染物。
在NO2分子中，N周围的价电子数为5，根据价层电子对互斥理论（VSEPR理论），氧原子不提供电子，因此，中心氮原子的价电子总数为5，相当于三对电子对.。其中有两对是成键电子对，一个成单电子当作一对孤电子对。氮原子价层电子对排布应为平面三角形。所以NO2分子的结构为V字形，O-N-O键角约为120度。
当温度高于150℃时开始分解，到650℃时完全分解为一氧化氮和氧气。与水反应生成硝酸和一氧化氮；与浓硫酸反应生成亚硝基硫酸，与碱反应生成等摩尔硝酸盐和亚硝酸盐。二氧化氮在气相状态下有叠合作用，生成四氧化二氮，它总是与四氧化二氮在一起呈平衡状态存在。