Er zijn nu meer dan tien miljoen organische verbindingen bekend bij scheikundigen. Er bestaan er ongetwijfeld nog veel meer in de natuur, en organisch scheikundigen creëren (synthetiseren) er voortdurend nieuwe. Koolstof is het enige element dat zoveel verschillende verbindingen kan vormen, omdat elk koolstofatoom vier chemische bindingen met andere atomen kan vormen, en omdat het koolstofatoom precies de juiste, kleine afmeting heeft om gemakkelijk in zeer grote moleculen te passen.
Het atoomnummer 6 geeft aan dat elk koolstofatoom in totaal zes elektronen heeft. Twee bevinden zich in een voltooide binnenste baan, terwijl de andere vier valentie-elektronen zijn – buitenste elektronen die beschikbaar zijn voor het vormen van bindingen met andere atomen.
De vier valentie-elektronen van het koolstofatoom kunnen worden gedeeld door andere atomen die elektronen te delen hebben, en zo covalente (gedeelde-elektron) bindingen vormen. Ze kunnen zelfs worden gedeeld door andere koolstofatomen, die op hun beurt elektronen kunnen delen met andere koolstofatomen, enzovoort, waardoor lange reeksen koolstofatomen worden gevormd, die aan elkaar zijn gebonden als schakels in een ketting. Silicium (Si), een ander element in groep 14 van het periodiek systeem, heeft ook vier valentie-elektronen en kan grote moleculen maken die siliconen worden genoemd, maar de atomen daarvan zijn te groot om samen te passen in zo’n grote verscheidenheid aan moleculen als koolstofatomen kunnen.
Het vermogen van koolstof om lange koolstof-koolstofketens te vormen is de eerste van vijf redenen waarom er zo veel verschillende koolstofverbindingen kunnen zijn; een molecuul dat ook maar één atoom verschilt, is natuurlijk een molecuul van een andere verbinding. De tweede reden voor het verbazingwekkende vermogen van koolstof om verbindingen te vormen, is dat koolstofatomen zich niet alleen in rechte ketens aan elkaar kunnen binden, maar ook in complexe vertakkingen, zoals de takken van een boom. Ze kunnen zich zelfs “kop aan staart” verbinden om ringen van koolstofatomen te maken. Er is praktisch geen grens aan het aantal of de complexiteit van de vertakkingen of het aantal ringen dat eraan kan worden vastgemaakt, en dus ook geen grens aan het aantal verschillende moleculen dat kan worden gevormd.
De derde reden is dat koolstofatomen niet alleen een enkel elektron met een ander atoom kunnen delen om een enkele binding te vormen, maar ook twee of drie elektronen kunnen delen en zo een dubbele of drievoudige binding kunnen vormen. Dit zorgt voor een enorm aantal mogelijke bindingscombinaties op verschillende plaatsen, waardoor een enorm aantal verschillende mogelijke moleculen ontstaat. En een molecuul dat ook maar één atoom of één bindingspositie verschilt, is een molecuul van een andere verbinding.
De vierde reden is dat dezelfde verzameling atomen en bindingen, maar in een andere geometrische opstelling binnen het molecuul, een molecuul maakt met een andere vorm en dus andere eigenschappen. Deze verschillende moleculen worden isomeren genoemd.
De vijfde reden is dat alle elektronen die niet worden gebruikt om koolstofatomen aan elkaar te binden tot ketens en ringen, kunnen worden gebruikt om bindingen te vormen met atomen van verschillende andere elementen. Het meest voorkomende andere element is waterstof, dat de familie van verbindingen vormt die bekend staan als koolwaterstoffen. Maar stikstof, zuurstof, fosfor, zwavel, halogenen en verschillende andere soorten atomen kunnen ook worden verbonden als onderdeel van een organisch molecuul. Er is een enorm aantal manieren waarop zij aan de vertakkingen van de koolstofatomen kunnen worden vastgemaakt, en elke variatie maakt een molecule van een andere verbinding. Het is net alsof het verplaatsen van een kerstboom-ornament van de ene tak naar de andere een totaal andere boom oplevert.