Koolstofdioxide, kooldioxide, ook koolzuurgas, in de 19e eeuw ook koolstofzuurgas genoemd, is een anorganische verbinding van koolstof en zuurstof, met als brutoformule CO2. In zuivere toestand is het een kleurloos en geurloos gas dat van nature in de aardatmosfeer voorkomt. De molecule bezit een lineaire geometrie en behoort tot de puntgroep D∞h.

Hoewel het gas zelf geurloos is, vormt het samen met waterdamp koolzuur, waardoor bij hogere concentraties een scherpe zure geur waargenomen kan worden.

De atmosfeer van de Aarde bevatte in 2020 ongeveer 417 ppm koolstofdioxide.[3] Deze concentratie neemt verder toe.[4] Dit wordt veroorzaakt door menselijk handelen – voornamelijk door verbranding van fossiele brandstoffen – met klimaatverandering als gevolg.

Koolstofdioxide bestaat uit een centraal koolstofatoom waaraan met dubbele bindingen twee zuurstofatomen zijn gebonden. Derhalve komt koolstof hier voor in zijn hoogste oxidatietoestand (+IV). Koolstofdioxide wordt gevormd bij de volledige verbranding van koolstof of koolstofhoudende verbindingen:

C+O2⟶CO2

Bij onvolledige verbranding ontstaat koolstofmonoxide (CO), een toxisch en verstikkend gas dat aanleiding kan geven tot koolstofmonoxidevergiftiging.

Planten en andere autotrofe organismen gebruiken koolstofdioxide bij de fotosynthese. Bij deze chemische reactie worden water (H2O) en koolstofdioxide (CO2) opgenomen en in glucose omgezet, terwijl zuurstofgas (O2) wordt afgegeven. Voor dit proces is energie nodig, die wordt betrokken uit zonlicht. De zonne-energie wordt als chemische energie vastgelegd in de chemische verbinding glucose. De glucose wordt gebruikt als energiebron of omgezet in andere organische stoffen, bouwstoffen als cellulose en eiwitten, ten behoeve van groei en voortplanting. Zo komt de koolstof uit de kooldioxide via fotosynthese terecht in allerlei andere stoffen, deels zichtbaar, zoals cellulose en lignine in het hout van bomen.