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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。

1896年，瑞典化學家阿累尼烏斯（即斯萬特·奧古斯特·阿累尼烏斯，Svante August Arrhenius，1859年－1927年）通過計算指出，大氣中二氧化碳濃度增加一倍，可使地表溫度上升5～6℃。

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。

二氧化碳一般可由高溫煅燒石灰石或由石灰石和稀鹽酸反應制得，主要應用于冷藏易的食品（固態）、作致冷劑（液態）、制造碳化軟飲料（氣態）和作均相反應的溶劑（超臨界狀態）等。 關于其毒性，研究表明：低濃度的二氧化碳沒有毒性，高濃度的二氧化碳則會使動物中毒。

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