Es gibt mittlerweile mehr als zehn Millionen organische Verbindungen, die Chemiker kennen. In der Natur gibt es zweifellos noch viel mehr, und die organischen Chemiker kreieren (synthetisieren) ständig neue. Kohlenstoff ist das einzige Element, das so viele verschiedene Verbindungen bilden kann, weil jedes Kohlenstoffatom vier chemische Bindungen zu anderen Atomen eingehen kann und weil das Kohlenstoffatom genau die richtige, kleine Größe hat, um sich bequem als Teil von sehr großen Molekülen einzufügen.
Mit der Ordnungszahl 6 hat jedes Kohlenstoffatom insgesamt sechs Elektronen. Zwei davon befinden sich in einer abgeschlossenen inneren Umlaufbahn, während die anderen vier Valenzelektronen sind – Außenelektronen, die für die Bildung von Bindungen mit anderen Atomen zur Verfügung stehen.
Die vier Valenzelektronen des Kohlenstoffatoms können von anderen Atomen, die ebenfalls Elektronen zur Verfügung haben, geteilt werden, so dass kovalente Bindungen (Shared-Electron) entstehen. Sie können sogar von anderen Kohlenstoffatomen geteilt werden, die wiederum Elektronen mit anderen Kohlenstoffatomen teilen können und so weiter, so dass lange Stränge von Kohlenstoffatomen entstehen, die wie Glieder einer Kette aneinander gebunden sind. Silizium (Si), ein weiteres Element der Gruppe 14 des Periodensystems, hat ebenfalls vier Valenzelektronen und kann große Moleküle bilden, die Silikone genannt werden, aber seine Atome sind zu groß, um sich zu einer so großen Vielfalt von Molekülen zusammenzufügen, wie es die Kohlenstoffatome können.
Die Fähigkeit des Kohlenstoffs, lange Kohlenstoff-zu-Kohlenstoff-Ketten zu bilden, ist der erste von fünf Gründen, warum es so viele verschiedene Kohlenstoffverbindungen geben kann; ein Molekül, das sich auch nur um ein Atom unterscheidet, ist natürlich ein Molekül einer anderen Verbindung. Der zweite Grund für die erstaunliche Fähigkeit des Kohlenstoffs, Verbindungen zu bilden, ist, dass sich Kohlenstoffatome nicht nur in geraden Ketten, sondern in komplexen Verzweigungen, wie die Äste eines Baumes, aneinander binden können. Sie können sich sogar „Kopf-an-Schwanz“ verbinden, um Ringe aus Kohlenstoffatomen zu bilden. Es gibt praktisch keine Begrenzung für die Anzahl oder Komplexität der Verzweigungen oder die Anzahl der Ringe, die an sie angehängt werden können, und damit auch keine Begrenzung für die Anzahl der verschiedenen Moleküle, die gebildet werden können.
Der dritte Grund ist, dass Kohlenstoffatome nicht nur ein einzelnes Elektron mit einem anderen Atom teilen können, um eine Einfachbindung zu bilden, sondern auch zwei oder drei Elektronen teilen können, um eine Doppel- oder Dreifachbindung zu bilden. Daraus ergibt sich eine riesige Anzahl möglicher Bindungskombinationen an verschiedenen Stellen, wodurch eine riesige Anzahl verschiedener möglicher Moleküle entsteht. Und ein Molekül, das sich auch nur um ein Atom oder eine Bindungsposition unterscheidet, ist ein Molekül einer anderen Verbindung.
Der vierte Grund ist, dass die gleiche Ansammlung von Atomen und Bindungen, aber in einer anderen geometrischen Anordnung innerhalb des Moleküls, ein Molekül mit einer anderen Form und damit anderen Eigenschaften ergibt. Diese unterschiedlichen Moleküle werden Isomere genannt.
Der fünfte Grund ist, dass alle Elektronen, die nicht dazu verwendet werden, Kohlenstoffatome zu Ketten und Ringen zusammenzubinden, dazu verwendet werden können, Bindungen mit Atomen verschiedener anderer Elemente zu bilden. Das häufigste andere Element ist Wasserstoff, der die Familie der Verbindungen bildet, die als Kohlenwasserstoffe bekannt sind. Aber auch Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, Halogene und einige andere Arten von Atomen können als Teil eines organischen Moleküls gebunden werden. Es gibt eine riesige Anzahl von Möglichkeiten, wie sie an die Verzweigungen der Kohlenstoff-Atome angehängt werden können, und jede Variation macht aus einem Molekül eine andere Verbindung. Es ist so, als würde man einen Weihnachtsbaumschmuck von einem Zweig zum anderen verschieben und so einen völlig anderen Baum schaffen.