Il y a maintenant plus de dix millions de composés organiques connus des chimistes. Beaucoup d’autres existent sans doute dans la nature, et les chimistes organiques ne cessent d’en créer (synthétiser) de nouveaux. Le carbone est le seul élément qui peut former autant de composés différents parce que chaque atome de carbone peut former quatre liaisons chimiques avec d’autres atomes, et parce que l’atome de carbone a juste la bonne et petite taille pour s’intégrer confortablement en tant que parties de très grandes molécules.
Ayant le numéro atomique 6, chaque atome de carbone a un total de six électrons. Deux sont sur une orbite interne complétée, tandis que les quatre autres sont des électrons de valence – des électrons extérieurs qui sont disponibles pour former des liaisons avec d’autres atomes.
Les quatre électrons de valence de l’atome de carbone peuvent être partagés par d’autres atomes qui ont des électrons à partager, formant ainsi des liaisons covalentes (à électrons partagés). Ils peuvent même être partagés par d’autres atomes de carbone, qui peuvent à leur tour partager des électrons avec d’autres atomes de carbone et ainsi de suite, formant de longues chaînes d’atomes de carbone, liés les uns aux autres comme les maillons d’une chaîne. Le silicium (Si), un autre élément du groupe 14 du tableau périodique, possède également quatre électrons de valence et peut fabriquer de grandes molécules appelées silicones, mais ses atomes sont trop grands pour s’assembler en une aussi grande variété de molécules que peuvent le faire les atomes de carbone.
La capacité du carbone à former de longues chaînes de carbone à carbone est la première des cinq raisons pour lesquelles il peut y avoir autant de composés de carbone différents ; une molécule qui diffère ne serait-ce que par un atome est, bien sûr, une molécule d’un composé différent. La deuxième raison de l’étonnante capacité du carbone à former des composés est que les atomes de carbone peuvent se lier les uns aux autres non seulement en chaînes droites, mais aussi en ramifications complexes, comme les branches d’un arbre. Ils peuvent même se joindre « tête-bêche » pour former des anneaux d’atomes de carbone. Il n’y a pratiquement aucune limite au nombre ou à la complexité des branches ou au nombre d’anneaux qui peuvent s’y attacher, et donc aucune limite au nombre de molécules différentes qui peuvent être formées.
La troisième raison est que les atomes de carbone peuvent partager non seulement un électron unique avec un autre atome pour former une liaison simple, mais il peut également partager deux ou trois électrons, formant ainsi une liaison double ou triple. Il existe donc un très grand nombre de combinaisons de liaisons possibles à différents endroits, ce qui donne un très grand nombre de molécules différentes possibles. Et une molécule qui diffère ne serait-ce que par un atome ou une position de liaison est une molécule d’un composé différent.
La quatrième raison est que la même collection d’atomes et de liaisons, mais dans une disposition géométrique différente au sein de la molécule, donne une molécule de forme différente et donc des propriétés différentes. Ces différentes molécules sont appelées isomères.
La cinquième raison est que tous les électrons qui ne sont pas utilisés pour lier les atomes de carbone ensemble en chaînes et en anneaux peuvent être utilisés pour former des liaisons avec les atomes de plusieurs autres éléments. L’autre élément le plus courant est l’hydrogène, qui constitue la famille de composés connus sous le nom d’hydrocarbures. Mais l’azote, l’oxygène, le phosphore, le soufre, les halogènes et plusieurs autres types d’atomes peuvent également être attachés en tant que partie d’une molécule organique. Il existe un très grand nombre de façons de les attacher aux branches de l’atome de carbone, et chaque variation donne une molécule d’un composé différent. C’est comme si le fait de déplacer une décoration d’arbre de Noël d’une branche à l’autre créait un arbre complètement différent.