Alla base della chimica organica vi è l’atomo di carbonio. E’ il sesto elemento della tavola periodica, ha numero atomico Z=6 e perciò in totale 6 elettroni: 2 nello strato 1s, 2 nello strato 2s e 2 nello strato 2p. La sua configurazione elettronica è 1s2 2s2 2p2.
Il carbonio, avendo due elettroni nello strato più esterno 2p, dovrebbe avere valenza 2, come quella che presenta nel suo composto più semplice con l’ossigeno, il monossido di carbonio CO. Tuttavia, anche se questo è il composto più semplice del carbonio, non è il più diffuso, in quanto il composto che il carbonio presenta in maggiore quantità con l’ossigeno è il biossido di carbonio o anidride carbonica CO2, nel quale il carbonio ha valenza 4.
Il carbonio, appartenendo al quarto gruppo della tavola periodica, possiede quattro elettroni di valenza e, perciò, può formare quattro legami che nella maggior parte dei composti organici sono di tipo covalente. Esso è detto tetravalente proprio per i suoi quattro elettroni di valenza ed è in grado di realizzare legami molto stabili.
Questo dipende dalla posizione centrale che il carbonio occupa nella tavola periodica: non essendo né fortemente elettronegativo né fortemente elettropositivo, forma legami covalenti con altri atomi.
Oltre che con atomi di idrogeno, ossigeno e azoto, gli atomi di carbonio riescono a legarsi anche ad altri atomi di carbonio, formando catene, anche molto lunghe, o anelli formati dal susseguirsi di atomi di carbonio che assumono forme tridimensionali estremamente diverse tra loro; infatti esistono molecole le quali, a parità di composizione chimica, differiscono totalmente per struttura, proprietà chimiche e fisiche. Le molecole che si originano in questo modo sono particolarmente stabili e, a temperatura ambiente, non reagiscono né con l’ossigeno né con l’acqua.
La straordinaria capacità che il carbonio presenta di legarsi anche a se stesso con legami semplici, doppi o tripli è riconducibile al fatto che orbitali ibridi concorrono alla formazione delle molecole. Infatti, la disponibilità di un orbitale vuoto nel livello energetico di valenza permette al carbonio tre tipi diversi di ibridazione, con formazione di orbitali sp3, sp2, ed sp.