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二氧化碳是碳氧化合物，是一種無機物，不可燃，通常也不支持燃燒，低濃度時無毒性。它也是碳酸的酸酐，屬于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，其中碳元素的化合價為+4價，處于碳元素的價態，故二氧化碳具有氧化性而無還原性，但氧化性不強。

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。

1772年，法國科學家拉瓦錫（即安托萬-洛朗·拉瓦錫，Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年－1794年）等用大火鏡聚光加熱放在汞槽上玻罩中的，發現它會燃燒，而其產物即“固定空氣”。同年，科學家普里斯特利（即約瑟夫·普里斯特利，Joseph Priestley，1733年－1804年）研究發酵氣體時發現：壓力有利于“固定空氣”在水中的溶解，溫度增高則不利于其溶解。這一發現使得二氧化碳能被應用于人工制造碳酸水（汽水）。

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?！被瘜W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”。
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