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1797年,英國化學家坦南特(即史密森·坦南特,Smitbson Tennant,1761年-1815年, [13] 又譯“臺耐特” [14] 等)用分析的方法測得“固定空氣”含碳27.65%、含氧72.35%。

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。

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。”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”。

1774年,瑞典化學家貝格曼(即托貝恩·奧洛夫·貝格曼,Torbern Olof Bergman,1735年-1784年)在其《研究固定空氣》中敘述了他對“固定空氣”的密度、在水中的溶解性、對石蕊的作用、被堿吸收的狀況、在空氣中的存在、水溶液對金屬鋅、鐵的溶解作用等的研究成果。
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