二氧化碳（CO₂）是由一个碳原子和两个氧原子组成的化合物。在常温常压下，它是一种无色、无味、不燃的气体。二氧化碳天然存在于地球大气层中，并参与生物过程和地质过程。它也是一种温室气体，通过吸收红外辐射影响地球的热量平衡。二氧化碳在工业上有广泛用途，而其在大气中含量的不断增加，是推动气候变化的主要因素之一。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
分子结构与物理性质
二氧化碳分子呈直线形，通常表示为 O=C=O。位于中心的碳原子分别与两个氧原子形成一个双共价键。其摩尔质量约为 44.01 克/摩尔。在相同条件下，二氧化碳气体的密度约为空气的 1.5 倍，这一性质使其容易在通风不良的空间内积聚。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
固态二氧化碳称为干冰，在一个标准大气压下，约 −78.5 °C 时会直接转变为气体。这一过程称为升华；在上述条件下，不会经过液态阶段。液态二氧化碳需要较高的压力才能存在。其固、液、气三相共存的三相点约为 −56.6 °C、5.18 巴。(cdc.gov)
当温度高于约 31 °C 的临界温度，且压力高于约 74 巴的临界压力时，二氧化碳可以以超临界流体的形式存在。在这种状态下，它兼具较高的密度和较低的黏度。这些性质使其适合作为加工过程中的流体介质，也使大量二氧化碳所占的体积远小于其在大气压下呈气态时的体积。(netl.doe.gov)
水中的化学行为
二氧化碳溶于水，并参与一组相互关联的化学平衡。部分溶解的 CO₂ 与水反应，形成碳酸（H₂CO₃）；碳酸可解离为氢离子和碳酸氢根离子，进一步解离则生成碳酸根离子。这些化学物种的相对含量在很大程度上取决于酸碱度（pH）。(oceanacidification.noaa.gov)
最初的反应通常写作：
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃
H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻
这些平衡在天然水体中十分重要。当更多的大气二氧化碳进入海水时，氢离子浓度升高，可利用的碳酸根离子减少。这一过程称为海洋酸化，会降低海水的 pH，并改变那些利用碳酸钙构建外壳或骨骼的生物所处的环境条件。“酸化”指的是向酸性增强的方向变化，并不意味着海水必须变成日常意义上 pH 低于 7 的酸性溶液。(oceanacidification.noaa.gov)
生物与地质作用
二氧化碳是碳循环的核心组成部分；碳循环使碳在大气、生物、土壤、海洋和岩石之间转移。在光合作用过程中，植物和浮游植物利用光能，将 CO₂ 中的碳转化并纳入有机化合物。这种生物碳固定为糖类的合成提供碳，也为支撑食物网的大量物质提供碳。(science.nasa.gov)
碳通过细胞呼吸、分解作用和燃烧返回大气。植物和动物一样会进行呼吸，因此植被既能吸收二氧化碳，也能释放二氧化碳。光合作用吸收量与呼吸作用释放量之间的季节性差异，是大气观测中二氧化碳浓度出现年度周期波动的原因之一，这种现象在北半球尤为明显。(science.nasa.gov)
地质过程发生在更长的时间尺度上。二氧化碳参与岩石风化以及海洋中的碳酸盐化学过程，而碳则可被固定在沉积物和碳酸盐岩中。火山活动会将部分地质碳释放回大气。这些过程将相对快速的生物循环与在数百万年尺度上交换物质的碳储库联系起来。(science.nasa.gov)
大气含量与气候
在大规模工业化之前，大气中的二氧化碳浓度约为百万分之 280，即 280 ppm。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的全球海洋表面大气观测数据显示，2024 年二氧化碳浓度的全球年平均值约为 422.8 ppm。这里的 ppm 表示每一百万个干空气分子中所含的 CO₂ 分子数。全球年平均值不同于单个观测站或某个特定月份的测量值。(gmd-prod.cmdl.noaa.gov)
浓度上升主要与燃烧化石燃料有关，土地利用变化也有所贡献。这些活动向大气释放碳的速度超过了自然碳汇清除碳的速度。二氧化碳吸收地球向外辐射的红外线，是产生温室效应的因素之一。其浓度增加会改变地球与太空之间的能量交换。(climate.gov)
工业用途与碳管理
二氧化碳的商业用途包括饮料碳酸化、食品冷冻、制冷和灭火。它还可在工业过程中用作溶剂或工作流体。二氧化碳利用包括将其转化为化学品、燃料、生物质或无机材料，例如碳酸盐基建筑产品。物理应用不会改变 CO₂ 分子本身，而化学转化则会将其变成其他物质。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
碳捕集与封存从工业物流中分离二氧化碳，并将其长期储存，通常封存于地下。直接空气捕集则从环境空气中提取 CO₂。当从大气中移除二氧化碳与持久储存相结合时，就构成了二氧化碳移除。评估二氧化碳利用途径需要开展生命周期评价，因为加工过程的需求以及产品中碳的最终去向，都会影响这些途径的总体排放平衡。(energy.gov)
接触危害
高浓度二氧化碳可引起头痛、头晕、呼吸困难、意识丧失和窒息。液态 CO₂ 和干冰可造成冻伤。虽然二氧化碳不燃，但它并非对所有物质都具有化学惰性：某些活泼金属粉末可在二氧化碳中燃烧或发生爆炸性反应。这些危害不同于正常大气浓度下二氧化碳对气候产生的影响。(cdc.gov)