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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  Helmont，1580年－1644年）發(fā)現(xiàn)木炭燃燒之后除了產(chǎn)生灰燼外還產(chǎn)生一些看不見、摸不著的物質(zhì)，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(fā)現(xiàn)燭火在該氣體中會自然熄滅，這是二氧化碳惰性性質(zhì)的次發(fā)現(xiàn)。不久后，德國化學家霍夫曼（即弗里德里希·霍夫曼，F(xiàn)riedrich 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。

CO2分子形狀是直線形的，其結(jié)構(gòu)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(xiàn)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。

1850年，愛爾蘭物理化學家安德魯斯（即托馬斯·安德魯斯，Thomas Andrews，1813年－1885年）開始對二氧化碳的超臨界現(xiàn)象進行研究，并于1869年測定了二氧化碳的兩個臨界參數(shù)：超臨界壓強為7.2MPa，超臨界溫度為304.065K（二者在2013年的公認值分別為7.375MPa和303.05K）。

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(tài)，故二氧化碳具有氧化性而無還原性，但氧化性不強。
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