Oggi ci sono più di dieci milioni di composti organici conosciuti dai chimici. Molti altri esistono senza dubbio in natura, e i chimici organici ne creano (sintetizzano) continuamente di nuovi. Il carbonio è l’unico elemento che può formare così tanti composti diversi perché ogni atomo di carbonio può formare quattro legami chimici con altri atomi, e perché l’atomo di carbonio è della dimensione giusta e piccola per inserirsi comodamente come parte di molecole molto grandi.
Avendo il numero atomico 6, ogni atomo di carbonio ha un totale di sei elettroni. Due sono in un’orbita interna completa, mentre gli altri quattro sono elettroni di valenza – elettroni esterni che sono disponibili per formare legami con altri atomi.
I quattro elettroni di valenza dell’atomo di carbonio possono essere condivisi da altri atomi che hanno elettroni da condividere, formando così legami covalenti (elettroni condivisi). Possono anche essere condivisi da altri atomi di carbonio, che a loro volta possono condividere elettroni con altri atomi di carbonio e così via, formando lunghe stringhe di atomi di carbonio, legati tra loro come anelli di una catena. Anche il silicio (Si), un altro elemento del gruppo 14 della tavola periodica, ha quattro elettroni di valenza e può formare grandi molecole chiamate siliconi, ma i suoi atomi sono troppo grandi per formare una grande varietà di molecole come gli atomi di carbonio.
La capacità del carbonio di formare lunghe catene carbonio-carbonio è la prima delle cinque ragioni per cui ci possono essere così tanti composti diversi di carbonio; una molecola che differisce anche solo di un atomo è, ovviamente, una molecola di un composto diverso. La seconda ragione della stupefacente capacità del carbonio di formare composti è che gli atomi di carbonio possono legarsi tra loro non solo in catene dritte, ma in complesse ramificazioni, come i rami di un albero. Possono persino unirsi “testa-coda” per formare anelli di atomi di carbonio. Non c’è praticamente nessun limite al numero o alla complessità dei rami o al numero di anelli che possono essere attaccati ad essi, e quindi nessun limite al numero di molecole diverse che si possono formare.
La terza ragione è che gli atomi di carbonio possono condividere non solo un singolo elettrone con un altro atomo per formare un singolo legame, ma possono anche condividere due o tre elettroni, formando un doppio o triplo legame. Questo fa sì che ci sia un numero enorme di possibili combinazioni di legami in punti diversi, e quindi un numero enorme di possibili molecole diverse. E una molecola che differisce anche solo per un atomo o una posizione di legame è una molecola di un composto diverso.
La quarta ragione è che lo stesso insieme di atomi e legami, ma in una diversa disposizione geometrica all’interno della molecola, crea una molecola con una forma diversa e quindi diverse proprietà. Queste diverse molecole sono chiamate isomeri.
La quinta ragione è che tutti gli elettroni che non sono usati per legare insieme gli atomi di carbonio in catene e anelli possono essere usati per formare legami con atomi di diversi altri elementi. L’altro elemento più comune è l’idrogeno, che forma la famiglia di composti conosciuti come idrocarburi. Ma anche azoto, ossigeno, fosforo, zolfo, alogeni e diversi altri tipi di atomi possono essere legati come parte di una molecola organica. C’è un numero enorme di modi in cui possono essere attaccati ai rami degli atomi di carbonio, e ogni variazione fa una molecola di un composto diverso. È come se spostando un ornamento dell’albero di Natale da un ramo all’altro si creasse un albero completamente diverso.