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二氧化碳氣體是大氣組成的一部分（占大氣總體積的0.03%-0.04%），在自然界中含量豐富，其產生途徑主要有以下幾種：①有機物（包括動植物）在分解、發酵、腐爛、變質的過程中都可釋放出二氧化碳。②石油、石臘、煤炭、天然氣燃燒過程中，也要釋放出二氧化碳。③石油、煤炭在生產化工產品過程中，也會釋放出二氧化碳。④所有糞便、腐植酸在發酵，熟化的過程中也能釋放出二氧化碳。⑤所有動物在呼吸過程中，都要吸氧氣吐出二氧化碳。

17世紀初，比利時海爾蒙特（即揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特，Jan Baptista van Helmont，1580年－1644年）發現木炭燃燒之后除了產生灰燼外還產生一些看不見、摸不著的物質，并通過實驗證實了這種被他稱為“森林之精”的二氧化碳是一種不助燃的氣體，確認了二氧化碳是一種氣體；還發現燭火在該氣體中會自然熄滅，這是二氧化碳惰性性質的次發現。不久后，德國化學家霍夫曼（即弗里德里希·霍夫曼，Friedrich Hoffmann，1660年－1742年）對被他稱為“礦精（spiritus mineralis）”的二氧化碳氣體進行研究，推斷出二氧化碳水溶液具有弱酸性。

1840年，法國化學家杜馬（即讓-巴蒂斯特·安德烈·杜馬，Jean-Baptiste André Dumas，1800年－1884年）把經過精確稱量的含純粹碳的石墨放進充足的氧氣中燃燒，并且用氫氧化鉀溶液吸收生成的“固定空氣”，計算出“固定空氣”中氧和碳的質量分數比為72.734：27.266。此前，阿伏伽德羅（即阿莫迪歐·阿伏伽德羅，Amedeo Avogadro，1776年8月9日—1856年7月9日）于1811年提出了假說——“在同一溫度和壓強下，相同體積的任何氣體都含有相同數目的分子。”化學家們結合氧和碳的原子量得出“固定空氣”中氧和碳的原子個數簡單的整數比是2：1，又以阿伏伽德羅于1811年提出的假說為依據，通過實驗測出“固定空氣”的分子量為44，從而得出“固定空氣”的化學式為CO2，與此化學式相應的名稱便是“二氧化碳”。

CO2分子形狀是直線形的，其結構曾被認為是：O=C=O。但CO2分子中碳氧鍵鍵長為116pm，介于碳氧雙鍵（鍵長為124pm）和碳氧三鍵（鍵長為113pm）之間，故CO2中的碳氧鍵具有一定程度的叁鍵特征。
現代科學家一般認為CO2分子的中心原子碳原子采取sp雜化，2條sp雜化軌道分別與2個氧原子的2p軌道（含有一個電子）重疊形成2條σ鍵，碳原子上互相垂直的p軌道再分別與2個氧原子中平行的p軌道形成2條大π鍵。

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