Диоксид хлора ClO₂ при растворении в воде не образует хлорную и хлористую кислоты, в отличие от хлора Cl₂, оставаясь молекулярным.

Хлор и диоксид хлора — два близких по химической природе вещества, но кардинально различаются поведением в воде. Когда молекулярный хлор Cl₂ растворяется в воде, он претерпевает реакцию гидролиза с диспропорционированием: Cl₂ + H₂O → HCl + HClO. Это означает, что часть атомов хлора окисляется (до степени +1 в HClO), а часть восстанавливается (до степени −1 в HCl), образуя кислоты с разными свойствами. Диоксид хлора ClO₂, напротив, при растворении в воде остаётся молекулярным соединением и не подвергается подобному диспропорционированию. Этот контрастный результат объясняется электронной структурой молекулы. DiO₂ содержит нечётное число электронов (всего 19), что делает его свободным радикалом. Эта особенность парадоксально придаёт молекуле необычную стабильность в водной среде — радикальная природа препятствует дальнейшему перераспределению электронной плотности, которое требуется для диспропорционирования. В результате ClO₂ сохраняет свою структуру и степень окисления хлора (+4) в растворе. Практическое значение этого химического различия огромно. При дезинфекции питьевой воды хлором Cl₂ неизбежно образуются хлорная кислота HClO и хлористая кислота HCl, последняя из которых обладает токсичными свойствами и может накапливаться в организме. Использование диоксида хлора избегает этой проблемы благодаря его молекулярной стабильности. ClO₂ обладает мощным окисляющим действием (что и обеспечивает дезинфекцию), но сам при этом не превращается в опасные соединения.