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1823年，英國科學家法拉第（即邁克爾·法拉第，Michael Faraday，1791年－1867年）發現加壓可以使“碳酸氣”液化。同年，法拉第和戴維（即漢弗里·戴維，Humphry Davy，1778年－1829年，又譯“笛彼”）液化了“碳酸氣”。

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。

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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