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二氧化氯分子量67.45，常温呈气态，水中溶解度为0.29%（22℃），沸点11℃，熔点―59%，二氧化氯以自由单体存在，氯―氧键呈明显双键特征，键角117.45°，键长1.47?。
Cl
/ \ (Gordon et. al. 1972)
O O
二氧化氯具有共轭共振结构，氯的3d轨道参与C―π键共轭。液态二氧化氯极不稳定，光照，机械碰撞或接触有机物都会发生爆炸。气态二氧化氯在空气中的含量高于10%时，易于爆炸。
1、 二氧化氯的氧化性：
二氧化氯的氯含量为35.45∕67.45=52.6%，ClO2中Cl为+4，再转变为-1，
2ClO 2 +10Iˉ+8H + →2Clˉ+5I 2 +4H 2 O
二氧化氯实际有效活性含量为52.6%×5=263%，等于Cl2的2.63倍。
2、 二氧化氯与水反应：二氧化氯在水溶液中离解常数（K）很小。
ClO 2 +H 2 O HClO 2 +H 2 ClO 3
K=(HClO 2 )*(H 2 ClO 3 )∕ClO 2 =1.2×10 -7 (at20℃)
二氧化氯在水中基本上保持不离解的形式，二氧化氯溶液对光敏感即使在黑暗中，室温下每天离解率仍有2―4%，2℃时离解率可下降至1%以下。
3、 二氧化氯与酚反应：
二氧化氯与酚反应速度很快，生成物为无害的1、4–苯醌，而氯制剂可与酚生成氯酚（属致癌物质），由于环境污染日趋恶化，水中含酚量不断升高，即使天然地表水中酚的浓度也可达1ppm，大量氯制剂消毒中形成大量氯酚，不但严重危害人类健康，而且氯酚有很强的刺激味，1ppm浓度也能感觉，即使有少量的酚被氯化也会发生难闻的臭味。ClO2不与酚反应产生氯酚，在水处理中有去除水中的异味的功能。
4、 二氧化氯与烷、烃类反应：
一般情况下二氧化氯不和烷类生成氯代烷，与绝大多数脂肪族和芳香族的烃不发生反应，而氯制剂的氯化作用可生成三氯甲烷类强致癌物质。这就是二氧化氯被希望作为饮用水消毒的根本原因。
5、 二氧化氯与氨、胺反应：
氨与氯可生成氯氨，氯氨的杀菌效果微弱，氯氨的形成可大量消耗氯制剂，甚至在含氨量较高的合成氨、化肥等物质中，即使投入极大量的氯制剂也难以出现自由的游离氯，使水质中微生物及藻类大量繁殖。而二氧化氯不和氨起反应，少量的二氧化氯即可对水中微生物及藻类起到有效杀灭作用：氨与有机物可生成伯胺、仲胺、叔胺等有机胺，具有极大腥臭异味。而氯制剂和氨和一元胺（伯胺）相结合形成氯代氨：二氧化氯不和氨起反应，主要和腥臭作用最为明显的仲胺、叔胺起氧化分解作用，因此ClO2对于畜牧养殖、试验动物饲养场及肉类加工等企业有特殊的除腥臭功能。
6、 二氧化氯对无机硫化物及有机硫化物的反应：
二氧化氯在很宽的pH范围内和硫化物、硫化氢迅速地氧化为硫酸盐，能迅速地解除硫化物的“臭皮蛋”气味，且不会形成胶体状硫而堵塞设备，二氧化氯对硫化物的氧化作用，对工业污水及市政废水的处理有十分重大的意义。
硫醇（RSH）及二硫化物（RSSR）是有机硫的主要成分，具有令人极不愉快的气味，并能引起恶心呕吐。ClO2可迅速地氧化有机硫化物，最终产物为磺酸类物质。
7、 二氧化氯对氰化物的反应：
氰化物毒性极强，常存在于金属加工业（电镀）和金属开采的废水中，主要有游离氰化物不稳定的金属―氰化物、稳定的金属―氰化物。除后者外，前二者ClO 2 在弱碱条件下（pH<10）即可发生氧化作用。而其他氧化剂均需在pH>12时发生氧化作用，ClO2对氰化物氧化生成无毒的氰酸盐、二氧化碳、氮气。而氯制剂的氧化作用生成有毒的氯化氰气体（CNCl），尚需进行水解处理。
8、 二氧化氯与铁、锰的反应：
二氧化氯能迅速氧化铁、锰离子，以去除铁、锰离子造成水质的沉淀和着色，氯化作用的速度较慢，氯气氧化水中的锰离子需要几天时间，且不能氧化被有机物螯合的铁离子。
二氧化氯能够把二价锰氧化成四价锰，使之形成不溶于水的二氧化锰(MnO 2 )，即：
2ClO 2 +5Mn 2 ++6H 2 O=5MnO 2 +12H + +2Cl-
通过氧化，二氧化氯对锰的去除率为69%～81%，而氯对锰的去除率仅为25%，一般二氧化氯的投加量为5.0mg/L。
二氧化氯同样也能够把二价的铁氧化成三价的铁，形成氢氧化铁沉淀，即：
ClO 2 +5Fe(HCO 3 ) 2 +13H 2 O=5Fe(OH) 3 +10CO 3 2- +Cl-+21H +
通过氧化，二氧化氯对铁的去除率为78%～95%，而氯对铁的去除率仅为50%左右，一般二氧化氯的投加量为2.0mg/L。
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