五氧化二氮分子是平面形分子，分子中存在离域π键。
五氧化二氮分子中主要为sp2杂化,含有6个σ键和2个三原子四电子离域π键。因此图1中四个氧原子（除了中间那个以外）实际上是等价的。一般地，在标况下，五氧化二氮为无色固体，在漫射光和280K以下稳定，在气态时不稳定。
通常认为，固体状态下，他由两种离子构成：NO2+(硝酰阳离子)和 NO3-(硝酸根离子)，其中阳离子呈直线型，键长115pm，阴离子呈三角形，键长122pm，阴阳离子的中心N原子间距为273pm，且阳离子垂直于阴离子所在平面。这种物质称为硝酸硝鎓。
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