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二氧化氮（NO₂）是一种重要的氮氧化物，在工业生产和环境科学中扮演着双重角色。它既是制造硝酸的关键原料，也是大气污染的主要成分之一。
一、组成与结构
二氧化氮由1个氮原子和2个氧原子组成，化学式为NO₂，分子量为46.01。在常温下，二氧化氮并非以单纯的NO₂形式存在，而是与其二聚体四氧化二氮（N₂O₄）形成动态平衡混合物：
2NO₂ ⇌ N₂O₄
这一平衡强烈依赖于温度：降低温度时平衡向生成N₂O₄方向移动，固态时几乎全部为N₂O₄；升高温度时平衡向生成NO₂方向移动，气体颜色也随之加深。因此，日常所说的“二氧化氮”实际上是NO₂与N₂O₄的平衡混合物。
二、物理性质
外观：室温下为有刺激性气味的红棕色气体；冷凝后为黄褐色液体；固态无色，主要成分为N₂O₄。
熔点：-11.2℃（101.3kPa，平衡混合物）
沸点：21.2℃（101.3kPa，平衡混合物）
气体密度：3.40 kg/m³（气态），约为空气密度的2.62倍
液体密度：1443 kg/m³（21.1℃）
水溶性：易溶于水
饱和蒸气压：101.32 kPa（22℃）
临界温度：158℃
临界压力：10.13 MPa
二氧化氮不可燃，但在150℃以上开始分解，至650℃时完全分解为一氧化氮和氧气。
三、化学性质
1. 与水反应
二氧化氮与水反应生成硝酸和一氧化氮，这是工业制硝酸和酸雨形成的关键反应：
3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO
2. 氧化性与还原性
二氧化氮既具有氧化性又具有还原性。
氧化性：可与还原性物质如硫化氢反应，将H₂S氧化为硫单质：
2NO₂ + 2H₂S = S↓ + 2NO + 2H₂O
还原性：在特定条件下可被强氧化剂（如臭氧）氧化：
NO₂ + O₃ = NO₃ + O₂
3. 聚合反应
二氧化氮可逆地聚合生成四氧化二氮：
2NO₂ ⇌ N₂O₄
该反应放热，低温有利于N₂O₄生成，高温则有利于NO₂生成。
4. 与碱反应
二氧化氮与碱反应生成等摩尔的硝酸盐和亚硝酸盐，例如与氢氧化钠反应：
2NO₂ + 2NaOH = NaNO₃ + NaNO₂ + H₂O
5. 与浓硫酸反应
二氧化氮与浓硫酸反应生成亚硝基硫酸。
四、制备方法
1. 实验室制法
通常用铜与浓硝酸反应制取二氧化氮：
Cu + 4HNO₃（浓）= Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O
2. 工业制法
工业上主要采用氨的催化氧化法，这是制备硝酸的重要中间步骤：
首先，氨气在铂铑合金等催化剂作用下被氧化为一氧化氮：
4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O
随后，一氧化氮进一步氧化为二氧化氮：
2NO + O₂ = 2NO₂
此外，工业上也可通过浓硝酸与铜反应、或用氧处理亚硝酰氯等方式制备高纯二氧化氮。在氯化钠和硝酸生产硝酸钠的过程中，也会有高质量的四氧化二氮产生。
五、应用领域
制造硝酸：二氧化氮与水反应生成硝酸，是工业制硝酸的核心中间产物。
氧化剂与催化剂：在某些氧化反应中作为氧化剂或催化剂使用。
火箭燃料与液体炸药：高纯二氧化氮（及其二聚体）可用于火箭燃料和液体炸药生产。
标准混合气制备：用于制备检测燃烧气体的标准混合物，广泛应用于环境监测和仪器校准。
环境效应相关研究：二氧化氮参与大气中地面臭氧和光化学烟雾的形成，也是酸雨的重要前体物，因此其浓度监测和控制对于环境保护具有重要意义。
二氧化氮是一种性质活泼、应用广泛的化合物，但同时也是一把双刃剑。它在推动化学工业发展的同时，若排放失控，会对生态环境和人体健康造成严重危害。理解其组成、性质和反应规律，有助于我们更好地利用它，并有效防控其污染风险。
