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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。

1850年，爱尔兰物理化学家安德鲁斯（即托马斯·安德鲁斯，Thomas Andrews，1813年－1885年）开始对二氧化碳的超临界现象进行研究，并于1869年测定了二氧化碳的两个临界参数：超临界压强为7.2MPa，超临界温度为304.065K（二者在2013年的公认值分别为7.375MPa和303.05K）。

二氧化碳气体是大气组成的一部分（占大气总体积的0.03%-0.04%），在自然界中含量丰富，其产生途径主要有以下几种：①有机物（包括动植物）在分解、发酵、腐烂、变质的过程中都可释放出二氧化碳。②石油、石腊、煤炭、天然气燃烧过程中，也要释放出二氧化碳。③石油、煤炭在生产化工产品过程中，也会释放出二氧化碳。④所有粪便、腐植酸在发酵，熟化的过程中也能释放出二氧化碳。⑤所有动物在呼吸过程中，都要吸氧气吐出二氧化碳。

1950年－1952年间，苏联的柳巴夫斯基（K. B. Любавский）、诺沃日洛夫（H. M. Новожилов）与日本的关口春次郎分别研究了一种在二氧化碳保护气体中使用的焊丝，并提出了焊接钢材的新的冶金方案。  随之，1953年，柳巴夫斯基等人发明了二氧化碳气体保护焊。
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