Karbondioksid er en kjemisk forbindelse av karbon og oksygen med kjemisk formel CO2, den er en ikke-brennbar, sur og fargeløs gass med en svak syrlig lukt og smak. Den løser seg lett opp i vann, hvor den også forekommer ofte, for eksempel i det som i dagligtale kalles kullsyre i leskedrikker, men som er en uriktig betegnelse. Med metalloksider eller hydroksid, kan karbondioksid danne to typer salter, nemlig karbonater og hydrogenkarbonat.
CO2 er en viktig del av det globale karbonkretsløpet, samt en naturlig del av luften som en viktig drivhusgass i atmosfæren: Menneskelig aktivitet, spesielt forbrenning av fossile energikilder, har økt andelen CO2 i atmosfæren, angitt i parts per million (ppm), fra cirka 280 før starten av industrialiseringen til cirka 400 i 2015. Denne tendensen er fortsatt stigende.Markus Reichstein: Universell und Überall. Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem. In: Jochem Marotzke, Martin Stratmann (Hrsg.): Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft. Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S. 123–136, insb. S. 127. Denne økningen resulterer i en forsterkning av den naturlige drivhuseffekten, som i sin tur anses å være hovedårsaken til dagens globale oppvarming.Jochem Marotzke: «Vorhersagen sind schwierig…» Möglichkeiten und Grenzen von Klimamodellen, In: Ders., Martin Stratmann (Hrsg.): Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft. Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S. 9-22, hier S. 22.
Ved forbrenning av stoffer som inneholder karbon med tilstrekkelig oksygen oppstår CO2. Gassen oppstår også i organismer og levende vesener som et produkt av celleånding. Planter, alger og noen bakterier og arkebakterier konverterer CO2 etter fiksering i biomasse. Under fotosyntesen skapes glukose fra uorganisk CO2 og vann.
CO2 kan være giftig, men konsentrasjonen i luften er langt fra nok til at det er skadelig. Den har et bredt spektrum av tekniske anvendelser. I kjemisk industri brukes den for eksempel ved fremstilling av urea. I fast form som tørris er CO2 mye brukt som kjølemiddel, og som såkalt superkritisk karbondioksid blir brukt som løse- og ekstraheringsmiddel. Gassen har siden 1990-tallet fått økt anvendelse som arbeidsmedium pga. dens transkritiske egenskaper, blant annet innenfor komfortkjøling av bilkupéer.
Historie mini|left|Jan Baptist van Helmont kalte karbondioksid for Spiritus Sylvestre.
Karbondioksid var en av de første gassene som fikk et navn. På 1600-tallet observerer den flamske kjemikeren Jan Johannes van Helmont at massen av trekull ble redusert under forbrenningen, ettersom massen av den gjenværende aske var mindre enn det kull som ble brukt. Hans tolkning var at resten av kullet hadde blitt omgjort til et usynlig stoff som han kalte gass eller Spiritus Sylvestre («Vild ånd»).William Emerson Brock, B. Kleidt, H. Voelker: Viewegs Geschichte der Chemie, Springer-Verlag, ISBN 3-540-67033-5, S. 35.
Egenskapene til karbondioksid ble undersøkt mer grundig av den skotske legen Joseph Black. Han oppdaget i 1754 at når kalk (kalsiumkarbonat, CaCO3) blandes i en løsning med syrer, frigjøres en gass som han kalte fixed air («fiksert/etablert luft»).William Emerson Brock, B. Kleidt, H. Voelker: Viewegs Geschichte der Chemie, Springer-Verlag, ISBN 3-540-67033-5, S. 50. Han innså at denne gassen var tyngre enn luft og ikke opprettholder forbrenningprosesser. Ved injisering av denne gass i en oppløsning av kalsiumhydroksid så han at en fellingsreaksjon skjedde. Dette fenomen fikk ham til å forstå at karbondioksid oppstår i pusting hos pattedyr, og frembringes av mikrobiologisk fermentering. Hans arbeid viste at gasser kan være involvert i kjemiske reaksjoner, og bidro til at en vente seg bort fra teorien om flogiston.William Emerson Brock, B. Kleidt, H. Voelker: Viewegs Geschichte der Chemie, Springer-Verlag, ISBN 3-540-67033-5, S. 72.
Joseph Priestley lyktes i 1772 med den første produksjon av brus ved å tilføre svovelsyre i en kalkløsning, for deretter å oppløse den resulterende karbondioksid i en mugge med vann.J. Priestley, W. Hey: Observations on Different Kinds of Air. By Joseph Priestley, L L. D. F. R. S.. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 62, 1772, S. 147–264, doi:10.1098/rstl.1772.0021. I 1823 lyktes Humphry Davy og Michael Faraday med å gjøre karbondioksid om til en væske ved å øke trykket.Humphry Davy: On the Applicatin of Liquids Formed by the Condensation of Gases as Mechanical Agents. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 113 (1823): S. 199–205, doi:10.1098/rstl.1823.0020. Den første beskrivelsen av fast karbondioksid kommer fra Charles Thilorier, i 1834 trykksatt han en beholder med flytende karbondioksid. Da han åpnet beholderen fant han ut at en spontan fordampning finner sted, noe som fører til avkjøling slik at også en del faststoff av CO2 ble dannet.Duane H. D. Roller, M. Thilorier: Thilorier and the First Solidification of a «Permanent» Gas (1835). In: Isis. 43, 1952, S. 109, doi:10.1086/349402.
Forekomst Karbondioksid er i atmosfæren, i hydrosfæren, i litosfæren og biosfæren. Karbon utveksles mellom disse sfærene i stor grad i form av karbondioksid. I atmosfæren var det i 2015 rundt 830 gigatonn (830 000 000 000 tonn) karbon i form av karbondioksid.Markus Reichstein: Universell und Überall. Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem. In: Jochem Marotzke, Martin Stratmann (Hrsg.): Die Zukunft des Klimas. Neue Erkenntnisse, neue Herausforderungen. Ein Report der Max-Planck-Gesellschaft. Beck, München 2015, ISBN 978-3-406-66968-2, S. 123–136, insb. S. 125. hydrosfæren inneholder cirka 38 000 gigatonn med karbon i form av fysisk oppløst karbondioksid, samt oppløst hydrogenkarbonater og - karbonater. Litosfæren omfatter den klart største andelen av kjemisk bundet karbondioksid. Karbonatbergarter som kalsitt og dolomitt inneholder cirka 60 millioner gigatonn karbonMartin Kappas: Klimatologie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-8274-1827-2, S. 159 I tillegg til dette kommer innholdet av karbon i permafrostområder som tundraen i Arktis og Antarktis ved polområdene, boreal barskog eller fjellområder som lagrer store mengder karbon.Andrea Rehmsmeier: Auf dünnem EisDeutschlandfunk – Wissenschaft im Brennpunkt vom 7. August 2016ipa.arcticportal.org: International Permafrost Association (5. November 2016)
Forekomst i atmosfæren mini|left|Utvikling av konsentrasjon av CO2 i løpet av de siste 420 000 årene opptatt med direkte og indirekte målinger viser mini|left|Global distribusjon av karbondioksid i troposfæren, registrert av Atmospheric Infrarød Sounder (AIRS) instrumentert av NASA i juli 2008.
Karbondioksid er en sporgass i atmosfære. Konsentrasjonen i 2013 er lokalt overskred terskelen på 400 ppm (parts per million, deler per million), som ble målt av National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) i USA på Mauna Loa (Mauna Loa-observatoriet), Hawaii.J. Ewald: Carbon Dioxide at NOAA’s Mauna Loa Observatory reaches new milestone: Tops 400 ppm. In: NOAA Research, 10. Mai 2013.Pumphandle 2012: Time history of atmospheric carbon dioxide, Video der Geschichte des atmosphärischen Kohlenstoffs in den letzten 800.000 Jahren, carbontracker.noaa.gov
En studie publisert høsten 2016 i tidsskriftet Science kunne for første gang fremvise en lineær sammenheng mellom utslipp av CO2 og smelting av sommerisen i Arktis: «Et tonn CO2 = -3 km3 sommeris».deutschlandfunk.de, Forschung aktuell, 5. November 2016, Volker Mrasek: Jeder New-York-Fluggast lässt drei Quadratmeter Arktis-Meereis schmelzen (5. November 2016)
Den totale massen av karbondioksid i atmosfæren er cirka 3000 gigatonn eller cirka 800 gigatonn karbon (forholdet mellom molar masse av CO2 til C er 44:12). Konsentrasjonen varierer både med årstidene og lokalt, spesielt på bakken. I urbane områder er konsentrasjonen generelt høyere i lukkede rom, der kan konsentrasjonen være opp til ti ganger høyere enn gjennomsnittet.
Karbondioksid absorberer noe av varmestrålingen fra solen (den infrarøde), mens den kortbølgede del av solstrålingen kan passere nesten uhindret. Et absorberende legeme avgir også varmestråling i henhold til sin temperatur. Disse funksjonene gjør karbondioksid til en såkalt klimagass. Etter vanndamp utgjør karbondioksid den andre store klimagassen i forhold til sin mengdeandel i atmosfæren, selv om den spesifikke virkningen av metan og ozon er høyere. Alle klimagasser sammen øker den gjennomsnittlige temperaturen på jordoverflaten på grunn av den naturlige drivhuseffekten fra cirka -18 °C til +15 °C. Karbondioksid har en relativt stor andel av den samlede effekten og dermed bidrar dermed til å gjøre klimaet vennlig for livet på jorden.Karsten Schwanke, Nadja Podbregar, Dieter Lohmann, Harald Frater: Naturkatastrophen. Wirbelstürme, Beben, Vulkanausbrüche – entfesselte Gewalten und ihre Folgen, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-88684-6, S. 119.
Atmosfærens innhold av karbondioksid har vært utsatt for store svingninger i løpet av historien, noe som har hatt ulike biologiske, kjemiske og fysiske årsaker. For 500 millioner år siden var karbondioksidkonsentrasjonen omtrent 20 ganger høyere enn dagens nivå. Verdien sank jevnt og var i jura om lag fire til fem ganger sin nåværende verdi. Siden da har verdien falt videre. I alle fall de siste 800 000 år har andelen alltid vært under 300 ppm. Konsentrasjon av karbondioksid i den siste 10 000 år har holdt seg relativt stabilt på 300 ppm. Balansen i karbonkretsløpet har dermed vært i likevekt over dette tidsrommet. Fra begynnelsen av den industrielle revolusjon på 1800-tallet har karbondioksidinnholdet i atmosfæren økt. Den nåværende konsentrasjonen er trolig den høyeste på flere hundre tusen år.Iain Colin Prentice et al.: The Carbon Cycle and Atmospheric Carbon Dioxide. In: IPCC Third Assessment Report. 2001, S. 185, abgerufen am 21. Dezember 2013.
I perioden 1960 til 2005 økte karbondioksidinnholdet med 1,4 ppm per år.J. G. Canadell, C. Le Quere, M. R. Raupach, C. B. Field, E. T. Buitenhuis, P. Ciais, T. J. Conway, N. P. Gillett, R. A. Houghton, G. Marland: Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 104, 2007, S. 18866–18870, doi:10.1073/pnas.0702737104.
mini| Keeling-kurven viser økningen i atmosfærisk karbondioksid innhold siden 1958
De antropogene, altså menneskeskapte, utslipp av karbondioksid, er cirka 36,3 gigatonn per år. Dette utgjør bare en liten andel av de fra naturlige kilder av karbondioksid som er på cirka 550 gigatonn per år. Men fordi det naturlige karbonsluket opptar samme mengde CO2 hold karbondioksidkonsentrasjonen seg relativt konstant før industrialiseringen. Den ekstra karbondioksiden er omtrent halvparten av biosfærens og av verdenshavenes (som fører til forsuring) opptak, slik at de nå absorberer mer karbondioksid enn de avgir.A. P. Ballantyne, C. B. Alden, J. B. Miller, P. P. Tans, J. W. C. White: Increase in observed net carbon dioxide uptake by land and oceans during the past 50 years. In: Nature. 488, 2012, S. 70–72, doi:10.1038/nature11299. Den andre halvparten av karbondioksidutslippene forblir i atmosfæren, hvor det fører til målbar økning i konsentrasjonen. Denne kurven som viser økt karbondioksidkonsentrasjon er beskrevet av Charles David Keeling, og den såkalte Keeling-kurven er oppkalt etter ham. Denne ble første gang vist i begynnelsen av 1960-årene.