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CO2分子形状是直线形的，其结构曾被认为是：O=C=O。但CO2分子中碳氧键键长为116pm，介于碳氧双键（键长为124pm）和碳氧三键（键长为113pm）之间，故CO2中的碳氧键具有一定程度的叁键特征。
现代科学家一般认为CO2分子的中心原子碳原子采取sp杂化，2条sp杂化轨道分别与2个氧原子的2p轨道（含有一个电子）重叠形成2条σ键，碳原子上互相垂直的p轨道再分别与2个氧原子中平行的p轨道形成2条大π键。

1772年，法国科学家拉瓦锡（即安托万-洛朗·拉瓦锡，Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年－1794年）等用大火镜聚光加热放在汞槽上玻罩中的，发现它会燃烧，而其产物即“固定空气”。同年，科学家普里斯特利（即约瑟夫·普里斯特利，Joseph Priestley，1733年－1804年）研究发酵气体时发现：压力有利于“固定空气”在水中的溶解，温度增高则不利于其溶解。这一发现使得二氧化碳能被应用于人工制造碳酸水（汽水）。

由于CO2具有致冷速度快、操作性能良好、不浸湿、不污染食品、可抑制肉毒菌(botulinum)等优点，因此，不仅干冰大量用于冰淇淋工业，干冰和液体CO2还被广泛应用于各种食品的保鲜、冷冻冷藏

1766年，英国科学家卡文迪许（即亨利·卡文迪许，Henry Cavendish，1731年－1810年）成功地用汞槽法收集到了“固定空气”，并用物理方法测定了其比重及溶解度，还了它和动物呼出的和木炭燃烧后产生的气体相同。
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