탄소 원자는 탄소원자끼리 공유 결합에 의하여 결합할 수 있다. 따라서 4개의 가전자를 갖는 탄소 원자가 하나의 전자도 남기지 않고 다른 탄소 원자와 결합하면 등축정계 정팔면체의 다이아몬드가 된다. 또한 전자를 남기고 육각판상으로 결합하면 흑연이 만들어진다. 이와 같이 탄소만 결합한 것이라면 무기물에 불과하므로 공유 결합을 하더라도 유기물로 취급하지 않는다. 유기 화합물이 탄생하기 위해서는 탄소의 원자가 전자가 수소, 산소 등의 다른 원소와 공유 결합을 하여야 한다.
탄소 원자 2개가 한 쌍의 가전자를 공유하여 결합하고, 남은 가전자가 모두 수소 원자와 결합하는 경우는 C₂H6라는 에탄을 만든다. 이와 같은 결합을 반복하면 탄소 원자는 몇 개라도 연결되어 결합하며 나뭇가지와 같은 모양을 만들기도 한다. 따라서 셀 수 없을 정도로 많은 탄화수소가 존재하며 실제로 합성할 수도 있다. 탄소 원자가 포화 상태인 탄화수소를 파라핀족 탄화수소 또는 알칸이라고 한다. 가솔린에 사용하는 옥탄은 C8H18이고 폴리에틸렌은 탄소 원자가 몇만 개나 결합된 탄화수소이다. 이러한 과정을 거쳐 유기 화학의 세계가 탄생한다.
탄소와 화합물을 만드는 원소로는 수소를 비롯하여 산소, 질소, 황, 인 및 할로겐과 금속 원소가 있다. 따라서 유기 화합물의 수는 무한하며 분리 동정되어 바일슈타인의 '유기 화학 전서'에 기재된 것만도 몇백만 종에 이른다. 또한 유기 합성 화학의 영역에서는 계속하여 새로운 화합물이 만들어지고 있다. 따라서 유기 화학 분야는 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 흥비로운 세계라고 할 수 있다.
공유 결합을 하는 탄소 화합물을 유기 화합물이라고 하면, 지구 또는 우주의 탄소 존재 비율이 상당히 낮으므로 무기 화학의 세계에 비하여 유기 화학의 영역이 매우 좁다고 느낄 수도 있다. 지구 심층부의 사정은 정확하게 알 수 없지만, 지구 화학자인 클라크에 의하면 지각과 수권 및 대기권 속에 원소로 존재하는 탄소의 비율은 0.08%라고 한다. 그 중에서 0.03%의 탄소가 공기 속의 이산화탄소와 결합하고 있고 탄산칼슘이 바로 석회암이므로 유기물로 취급되는 탄소의 비율은 한층 더 낮다. 유기 화합물로 취급되는 탄소는 대부분 지구를 덮는 삼림 등의 식물체에 포함되어 있으며 이러한 식물에 고정되어 있는 탄소의 양은 약 7000억 톤에 불과하다.
이것에 비하면 지구 또는 우주를 형성하는 탄소 이외의 원소는 무한대에 가까울 정도로 많다. 우주 전체로 볼 때 50&정도가 수소이고 25% 정도가 헬륨으로 구성되어 있지만 우리들이 살고 있는 지구의 대부분은 그 이외의 원소로 구성되어 있다. 지구에 있는 91종의 천연 원소는 서로 섞이고 반응하여 복잡한 무기 화합물을 만들고 있으며 마그마나 암석을 비롯하여 바닷물, 민물 및 대기 속에서는 여러 가지 다양한 화학 반응이 일어나고 있다.
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