El diòxid de carboni (antigament anomenat biòxid de carboni i anhídrid carbònic) és una substància molecular constituïda per carboni i oxigen de fórmula química CO₂. A temperatura ambient es presenta en forma de gas incolor, inodor i insípid. És present a l'atmosfera de la Terra en baixa concentració i en les aigües dissolt en forma d'àcid carbònic, H2CO3. En concentracions altes pot provocar intoxicació per diòxid de carboni. És indispensable per a la vida; els vegetals i les algues mitjançant la fotosíntesi el redueixen per l'acció combinada la clorofil·la i la llum, i produeixen composts orgànics i oxigen. És un dels productes de la combustió dels materials orgànics i de la respiració, tant dels animals com dels vegetals. Per altra banda, és un dels gasos de l'atmosfera que manté la temperatura de la Terra gràcies a l'efecte d'hivernacle, essent el segon gas amb efecte d'hivernacle més important, després del vapor d'aigua. L'augment actual de la seva concentració atmosfèrica, deguda a l'ús de combustibles fòssils (carbó, petroli i gas natural) i la desforestació, està produint l'escalfament global del planeta. S'han establert normatives internacionals i grups de treball, com el Protocol de Kyoto, la Convenció Marc sobre el Canvi Climàtic o el Grup Intergovernamental sobre el Canvi Climàtic, per a intentar reduir aquest augment.
Història esquerra|miniatura|Jan Baptist van Helmont, oli de Mary Beale (circa 1674) Cap al 1630, el científic brabançó Jan Baptist van Helmont (1580-1644) descobrí que certs vapors es diferenciaven de l'aire, que en aquell moment es pensava que eren una sola substància o element químic. Van Helmont encunyà el terme gas (alteració del mot llatí chaos, 'caos') per descriure aquests vapors i recollí el que es produïa cremant llenya, anomenant-lo spiritus sylvestrus, per la qual cosa Van Helmont és reconegut com el descobridor del diòxid de carboni. Observà, també, que es produïa en la fermentació del vi i d'altres processos naturals. Poc temps després, altres científics detectaren similituds entre els processos de respiració i combustió. Així descobriren que la flama de les espelmes s'extingirà quan es tanca en una gerra amb un subministrament limitat d'aire, o que en les mateixes condicions moria un ocell o animal petit.
El 1756, el químic escocès Joseph Black (1728-1799) anomenà el diòxid de carboni aire fix, perquè és absorbit per una dissolució d'hidròxid de calci donant carbonat de calci segons l'equació:
CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 + H2O
El 1764 demostrà que es produïa per la respiració. Black pujà al sostre d'una església de Glasgow, que havia sigut ocupada durant unes deu hores de devoció religiosa per una congregació de 1500 persones, i mesurà làcid fix que havia exhalat la diligent i adormida congregació. Però fou el químic francès Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) qui establí definitivament l'excreció de diòxid de carboni després de la seva formació en el metabolisme, tot i que pensà erròniament que es formava als pulmons. Black descobrí, també, que està present a l'atmosfera, determinà que era un gas més pesant que l'aire i caracteritzà el seu comportament químic com el d'un àcid feble. Els pioners treballs de van Helmont i Black motivaren altres científics en l'estudi dels gasos, com ara el químic i físic anglès Henry Cavendish (1731-1810), el químic suec Carl Wilhelm Scheele (1742-1786)) i altres químics. esquerra|miniatura|Despreniment de bombolles de CO₂ en una aigua carbonatada El primer ús pràctic del diòxid de carboni fou inventat pel químic anglès Joseph Priestley (1733-1804) a mitjans dels anys 1700. Priestley havia repetit els experiments de Black mitjançant el gas produït per la fermentació de gra i demostrà que tenia les mateixes propietats que l'aire fix. Quan Priestley dissolgué el gas en l'aigua, trobà que creava una beguda refrescant amb un sabor lleugerament agre. Fou la primera aigua artificialment carbonatada, coneguda com a aigua gasosa o seltzer.
El 1783, el científic francès, Pierre Simon de Laplace (1749-1827) utilitzà un conill de rata per demostrar quantitativament que l'oxigen de l'aire s'utilitza per cremar carboni emmagatzemat al cos i produeix diòxid de carboni en l'alè exhalat. A la dècada de 1770, el fisiòleg holandès Jan Ingen-Housz (1730-1799) establí els principis de la fotosíntesi que ajudaren a explicar la superstició antiga que les plantes purifiquen l'aire durant el dia i l'enverinen durant la nit.
El químic anglès John Dalton (1766-1844) determinà el 1803 que la molècula de diòxid de carboni conté un àtom de carboni i dos àtoms d'oxigen. El 1834 el francès Charles Thilorier (1797-1852) obtingué per primera vegada diòxid de carboni sòlid. El seu ús comercial s'inicià en la dècada del 1920. El 1924 l'empresa estatunidenca Prest Air Devices of Long Island encunyà el terme gel sec per referir-se al diòxid de carboni sòlid.
Estat natural Atmosfera miniatura|Guèiser al Parc Nacional de Yellowstone, EUA El diòxid de carboni és un dels gasos presents a l'atmosfera de la Terra. L'agost del 2019 la proporció de CO₂ a l'atmosfera de la Terra era al voltant d'un 0,0410 % en volum (exactament 409,95 µL/L o ppmv) o un 0,0620 % en pes de CO₂. Com que la massa de l'atmosfera és de 5,14×1018 kg això representa aproximadament 3,2×1012 tones de CO₂ en el conjunt de l'atmosfera. A causa de l'àrea més gran de terra a l'hemisferi nord i, per tant, a una superfície vegetal més gran en comparació amb l'hemisferi sud, hi ha una fluctuació anual d'uns 5 µL/L, culminant el maig i arribant a un mínim l'octubre al final de l'estació de creixement de l'hemisferi nord, quan la quantitat de biomassa al planeta és més gran. Malgrat la seva petita concentració, el CO₂ és un component molt important de l'atmosfera de Terra, perquè absorbeix la radiació infraroja a les longituds d'ona de 4,26 µm i 14,99 µm i realça per tant l'efecte d'hivernacle.
El diòxid de carboni atmosfèric prové de diferents fonts. Els volcans i guèisers llancen diòxid de carboni a l'atmosfera de manera natural mesclat amb altres substàncies, les combustions de masses vegetals són també una font natural del diòxid de carboni atmosfèric, així com la respiració d'animals i plantes. per altra banda, des de la revolució industrial hi ha una aportació antropogènica de diòxid de carboni que prové del consum de combustibles fòssils (carbó, petroli i gas natural) així com un augment de la combustió natural de vegetals.
Oceans Els oceans de la Terra contenen una quantitat enorme de diòxid de carboni en forma d'ions hidrogencarbonat HCO3-i carbonat CO3^{2-}, molt més que la quantitat existent en l'atmosfera. L'hidrogencarbonat es produeix en reaccions químiques entre les roques, l'aigua, i el diòxid de carboni. Un exemple és la dissolució de carbonat de calci:
CaCO3{} + CO2{} + H2O <=> Ca^{2+}{} + 2{HCO_3}^-
Aquestes reaccions tendeixen a amortir els canvis en el CO2 atmosfèric. Les reaccions entre diòxid de carboni i roques no-carbonatades com els silicats també afegeixen hidrogencarbonat als mars:
CaSiO3{} + 2CO2{} + 3H2O <=> Ca^{2+}{} + H4SiO4 + 2HCO3-
que poden més tard sofrir l'invers de la reacció citada per formar roques de carbonat, però alliberant només la meitat del CO₂, consumida en la primera reacció. En el transcurs de centenars de milions d'anys això ha produït quantitats enormes de roques de carbonat, i ha enretirat la major part del diòxid de carboni de l'atmosfera. Si totes les roques de carbonat a l'escorça terrestre es convertissin de nou en diòxid de carboni, el diòxid de carboni resultant pesaria 40 vegades tant com la resta de l'atmosfera actual i l'atmosfera de la Terra seria semblant a la del planeta Venus.
Altres planetes miniatura|Fotografia de Mart on s'observa el blanc dels pols corresponents a CO₂ sòlid En els planetes Venus i Mart del sistema solar s'ha detectat la presència abundant de diòxid de carboni a les seves atmosferes. Venus conté una densa atmosfera, composta en la seva major part per diòxid de carboni (96,5 %) i una petita quantitat de nitrogen (3,5 %). La pressió al nivell de la superfície és 90 vegades superior a la pressió atmosfèrica en la superfície terrestre (una pressió equivalent a una profunditat d'un quilòmetre sota el nivell del mar a la Terra). L'enorme quantitat de CO₂ de l'atmosfera provoca un fort efecte d'hivernacle que eleva la temperatura de la superfície del planeta fins a prop de 460 °C a les regions menys elevades prop de l'equador. Això fa que Venus sigui més calent que Mercuri, malgrat trobar-se a més del doble de la distància del Sol que aquest i de rebre només el 25% de la seva radiació solar.
L'atmosfera de Mart està constituïda en un 95,32 % per diòxid de carboni, però és molt tènue, amb una pressió superficial de només 7 a 9 mil·libars enfront dels 1 033 mbars de l'atmosfera terrestre. Això significa que és només una centèsima part de la terrestre. Els casquets polars de Mart són formats per una capa molt prima de gel de CO₂ i, especialment el casquet sud, per una altra capa més ampla de gel d'aigua. En l'estiu austral, el diòxid de carboni se sublima per complet, deixant una capa residual de gel d'aigua. En cent anys d'observació, el casquet polar sud ha desaparegut dues vegades per complet, mentre el nord no ho ha fet mai.
També s'ha descobert en algunes atmosferes d'exoplanetes, com ara en la del HD 189733b, un Júpiter ardent en la qual atmosfera fou descobert el 2008 per primera vegada CO₂ fora del sistema solar.
Estructura de la molècula i del gel sec miniatura|Polaritat dels enllaços del CO₂ L'estructura química de la molècula de diòxid de carboni consta d'un àtom central de carboni unit amb dos dobles enllaços covalents als dos àtoms d'oxigen, els tres alineats en línia recta (angle entre enllaços 180°) segons el model O=C=O. Segons la teoria d'enllaç de valència el carboni presenta dos orbitals atòmics híbrids sp que formen els dos enllaços σ amb els dos oxígens, amb orbitals híbrids sp^2. El carboni té també dos orbitals p no hibridats, cadascun forma un enllaç π amb un orbital p d'un dels oxígens. Cada enllaç C=O té una longitud de 116,3 pm i una energia de 750 kJ·mol−1, considerablement alta si la comparam amb els enllaços C=C, C–O i C–H. La longitud total de la molècula és de 0,24 nm.
L'electronegativitat de l'oxigen és 3,5 i la del carboni 2,5, aquesta diferència fa que els electrons dels enllaços estiguin desplaçats cap a l'oxigen, l'element més electronegatiu, donant lloc a un enllaç polaritzat. Malgrat que els enllaços presenten polaritat, no presenta dipol elèctric a causa de la seva simetria que anul·la els dos moments dipolars oposats dels dos enllaços.
miniatura|Estructura cristal·lina de la fase I, el gel sec En estat sòlid se'l pot trobar formant diferents estructures o fases en les quals les molècules apolars de CO₂ s'uneixen mitjançant les febles forces de dispersió de London (dipol instantani - dipol induït), per la qual cosa la seva temperatura de fusió és molt baixa (–78,5 °C). L'estructura de la fase I és la del gel sec. La seva cel·la elemental és cúbica (grup espacial Pa{3}) amb arestes iguals de longitud aproximada 0,55 nm que conté 4 molècules de CO₂. Els enllaços covalents C=O hi tenen una longitud de 116,8 pm, molt semblant a la longitud d'enllaç de la molècula lliure.
Les fases d'alta pressió i temperatura són especialment importants per comprendre els interiors dels planetes i la formació d'estrelles. Fins al moment se n'han identificat set de diferents. Les fases I, III i VII són sòlids moleculars típics, mentre que les fases V i VI són fases esteses similars a les del Diòxid de silici SiO2. La fase II és una fase intermediària mal entesa i la fase IV encara no està ben estudiada.
Propietats químiques i físiques miniatura|Gel sec sublimant