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四氧化二氮能与许多燃料自燃，是一种优良的氧化剂。但它的液态温度范围很窄，极易凝固和蒸发。常温下的四氧化二氮处于不断汽化的状态之中。悬浮于空气中的四氧化二氮减压立刻分解为二氧化氮气体。二氧化氮气体为棕红色，有神经麻醉性毒性。

四氧化二氮是最重要的火箭推进剂之一。因为比较容易保持在液态，它主要用于组成可贮存液体推进剂。四氧化二氮在早期的液体燃料洲际导弹（洲际导弹必须能够随时发射，其推进剂要求可以长期贮存而不是临时加注）中被广泛应用，如美国的大力神式洲际导弹。四氧化二氮可以与许多火箭燃料组成双组元自燃推进剂：四氧化二氮/混肼、四氧化二氮/偏二甲肼、四氧化二氮/一甲基肼等。最常见的组合是四氧化二氮/偏二甲肼，苏联的质子号运载火箭和中国的长征二号运载火箭应用的就是这种组合。美国大力神-3运载火箭采用的是四氧化二氮/混肼50

用作制造硝酸、无水金属盐和硝基配位络合物的原料。在有机化学中用作氧化剂、硝化剂和丙烯酸酯聚合的抑制剂。在军事工业中，用作制取炸药。

纯N₂O₄无色，在常温下部分离解为NO₂，为红棕色液体。沸点21.15℃。凝固点-11.23℃。密度(20℃)1.446g/cm3。属强氧化剂，与胺、肼等接触能自燃。从直接合成法生产浓硝酸的流程中取得气体NO₂，进行冷凝和蒸馏后制得液体N₂O₄。为最常用的可贮存氧化剂之一，常与肼类燃料组成双组元液体推进剂，用于发射通讯卫星、战略导弹等的运载火箭中。