Existem agora mais de dez milhões de compostos orgânicos conhecidos pelos químicos. Muitos mais existem sem dúvida na natureza, e os químicos orgânicos estão continuamente a criar (sintetizando) novos compostos. O carbono é o único elemento que pode formar tantos compostos diferentes porque cada átomo de carbono pode formar quatro ligações químicas a outros átomos, e porque o átomo de carbono é apenas o tamanho certo e pequeno para caber confortavelmente como partes de moléculas muito grandes.
Servindo o número atómico 6, cada átomo de carbono tem um total de seis electrões. Dois estão numa órbita interna completa, enquanto os outros quatro são electrões de valência – electrões de valência que estão disponíveis para formar ligações com outros átomos.
Os quatro electrões de valência do átomo de carbono podem ser partilhados por outros átomos que têm electrões para partilhar, formando assim ligações covalentes (partilhados-electrões). Podem mesmo ser partilhados por outros átomos de carbono, que por sua vez podem partilhar electrões com outros átomos de carbono e assim por diante, formando longas cadeias de átomos de carbono, ligados uns aos outros como elos de uma cadeia. O silício (Si), outro elemento do grupo 14 da tabela periódica, também tem quatro electrões de valência e pode fazer moléculas grandes chamadas silicones, mas os seus átomos são demasiado grandes para se encaixarem numa variedade tão grande de moléculas como os átomos de carbono podem.
A capacidade do carbono de formar longas cadeias carbono-carbono é a primeira de cinco razões para que possa haver tantos compostos de carbono diferentes; uma molécula que difere até mesmo por um átomo é, evidentemente, uma molécula de um composto diferente. A segunda razão para a espantosa capacidade de formar compostos de carbono é que os átomos de carbono podem ligar-se não só em cadeias rectas, mas também em ramificações complexas, como os ramos de uma árvore. Podem mesmo juntar-se “cabeça a cabeça” para fazer anéis de átomos de carbono. Não há praticamente nenhum limite para o número ou complexidade dos ramos ou para o número de anéis que podem ser ligados a eles, e portanto nenhum limite para o número de moléculas diferentes que podem ser formadas.
A terceira razão é que os átomos de carbono podem partilhar não só um único electrão com outro átomo para formar uma ligação única, mas também podem partilhar dois ou três electrões, formando uma ligação dupla ou tripla. Isto faz com que haja um enorme número de combinações de ligações possíveis em locais diferentes, fazendo um enorme número de moléculas diferentes possíveis. E uma molécula que difere mesmo por um átomo ou uma posição de ligação é uma molécula de um composto diferente.
A quarta razão é que a mesma colecção de átomos e ligações, mas num arranjo geométrico diferente dentro da molécula, faz uma molécula com uma forma diferente e, portanto, com propriedades diferentes. Estas moléculas diferentes são chamadas isómeros.
A quinta razão é que todos os electrões que não estão a ser usados para unir átomos de carbono em cadeias e anéis podem ser usados para formar ligações com átomos de vários outros elementos. O outro elemento mais comum é o hidrogénio, o que torna a família de compostos conhecida como hidrocarbonetos. Mas azoto, oxigénio, fósforo, enxofre, halogéneos, e vários outros tipos de átomos também podem ser ligados como parte de uma molécula orgânica. Há um grande número de formas de fixação aos ramos de átomos de carbono, e cada variação faz uma molécula de um composto diferente. É como se mover um ornamento de árvore de Natal de um ramo para outro criasse uma árvore completamente diferente.