En la actualidad existen más de diez millones de compuestos orgánicos conocidos por los químicos. Sin duda existen muchos más en la naturaleza, y los químicos orgánicos están creando (sintetizando) continuamente otros nuevos. El carbono es el único elemento que puede formar tantos compuestos diferentes porque cada átomo de carbono puede formar cuatro enlaces químicos con otros átomos, y porque el átomo de carbono tiene el tamaño justo y pequeño para encajar cómodamente como partes de moléculas muy grandes.
Al tener el número atómico 6, cada átomo de carbono tiene un total de seis electrones. Dos se encuentran en una órbita interna completa, mientras que los otros cuatro son electrones de valencia, es decir, electrones externos que están disponibles para formar enlaces con otros átomos.
Los cuatro electrones de valencia del átomo de carbono pueden ser compartidos por otros átomos que tengan electrones para compartir, formando así enlaces covalentes (de electrones compartidos). Incluso pueden ser compartidos por otros átomos de carbono, que a su vez pueden compartir electrones con otros átomos de carbono y así sucesivamente, formando largas cadenas de átomos de carbono, unidos entre sí como eslabones de una cadena. El silicio (Si), otro elemento del grupo 14 de la tabla periódica, también tiene cuatro electrones de valencia y puede formar grandes moléculas denominadas siliconas, pero sus átomos son demasiado grandes para encajar juntos en una variedad tan grande de moléculas como pueden hacerlo los átomos de carbono.
La capacidad del carbono para formar largas cadenas de carbono a carbono es la primera de las cinco razones por las que puede haber tantos compuestos de carbono diferentes; una molécula que difiere incluso en un átomo es, por supuesto, una molécula de un compuesto diferente. La segunda razón de la asombrosa capacidad de formación de compuestos del carbono es que los átomos de carbono pueden unirse entre sí no sólo en cadenas rectas, sino en ramificaciones complejas, como las ramas de un árbol. Incluso pueden unirse «cabeza con cola» para formar anillos de átomos de carbono. Prácticamente no hay límite en el número o la complejidad de las ramas ni en el número de anillos que se pueden unir, y por tanto no hay límite en el número de moléculas diferentes que se pueden formar.
La tercera razón es que los átomos de carbono pueden compartir no sólo un único electrón con otro átomo para formar un enlace simple, sino que también puede compartir dos o tres electrones, formando un enlace doble o triple. Esto hace que haya un gran número de combinaciones de enlaces posibles en diferentes lugares, lo que hace que haya un gran número de moléculas posibles. Y una molécula que difiere incluso en un átomo o una posición de enlace es una molécula de un compuesto diferente.
La cuarta razón es que la misma colección de átomos y enlaces, pero en una disposición geométrica diferente dentro de la molécula, hace una molécula con una forma diferente y, por lo tanto, propiedades diferentes. Estas moléculas diferentes se denominan isómeros.
La quinta razón es que todos los electrones que no se utilizan para unir los átomos de carbono en cadenas y anillos pueden utilizarse para formar enlaces con átomos de otros elementos. El otro elemento más común es el hidrógeno, que forma la familia de compuestos conocida como hidrocarburos. Pero el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo, el azufre, los halógenos y varios otros tipos de átomos también pueden unirse como parte de una molécula orgánica. Hay un gran número de formas en las que se pueden unir a las ramas de átomos de carbono, y cada variación hace una molécula de un compuesto diferente. Es como si al mover un adorno del árbol de Navidad de una rama a otra se creara un árbol completamente diferente.