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二氧化氯在常温下是黄色的气体，具有类似氯气那样令人不愉快的刺激性气味，沸点为11℃，比重为2.4。冷却至—40℃以下，成为深红色液体温度低于—59℃时，为橙黄色固体。其分子量为67.47，是自然界中几乎*以单体游离基形式存在的少数化合物之一。二氧化氯易溶于水且不与水发生化学反应，它在水中的溶解度是氯的5倍。二氧化氯气体溶于水形成黄绿色溶液，作为溶解的气体保留在溶液中，在阴凉处避光保存并严格密封非常稳定，在光线照射下将发生化学分解。若贮藏在敞开容器中的二氧化氯水溶液，其二氧化氯浓度很易下降。再有二氧化氯很容易爆炸。当温度升高，暴露在光线下或与某些有机物接触摩擦时，都可能引起爆炸，而且液体二氧化氯比气体更易爆炸。如果空气中二氧化氯浓度或水中二氧化氯浓度时都将爆炸。所以工业上采用空气或惰性气体来冲淡二氧化氯气体，使其浓度一。由于二氧化氯具有易挥发、易爆炸的特点，故不宜贮存，应以现场制取和使用为主。

二氧化氯对细菌、病毒及真菌孢子的杀灭能力均很强。二氧化氯对微生物的杀灭原理是：二氧化氯对细胞壁有较好的吸附性和透过性能，可有效地氧化细胞内含疏基的酶；可与半胱氨酸、色氨酸和游离脂肪酸反应，快速控制生物蛋白质的合成，使膜的渗透性增高；并能改变病毒衣壳蛋白，导致病毒灭活。二氧化氯的消毒能力和氧化能力远远过氯气，不会像氯气那样生成对人体有害的有机卤化物和三卤甲烷等致癌物质。能有效的破坏酚、硫化物、1化物等有害物质。二氧化氯消毒剂具有无毒、无害等众多优点。ClO2氯原子为正4价，还原成氯化物时将可得到5个电子，因此其氧化力相当于氯的5倍，有效氯含量为263%。故二氧化氯是极为有效的饮水消毒剂。