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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。二氧化碳常温下是一种无色无味的气体，密度比空气大，能溶于水。化学式CO2。是空气中主要成分，碳与氧反应生成其化学式为CO2，一个二氧化碳分子由两个氧原子与一个碳原子通过共价键构成。
在自然界中二氧化碳含量丰富，为大气组成的一部分，约占0.03%，主要由含碳物质燃烧和动物的新陈代谢产生。二氧化碳也包含在某些天然气或油田伴生气中以及碳酸盐形成的矿石中。