El número de compuestos que forma el carbono es muy superior al del conjunto del resto de los elementos. Ello obliga a un estudio por separado.

En la antigüedad se conocían sustancias como el ácido acético que por hallarse en los organismos vivos se suponía que sólo se podía obtener por medio de unas "fuerzas vitales".

Con el nombre de "Química Orgánica" se empezaron a estudiar todos los compuestos presentes en un organismo vivo.

En 1828, Wohler sintetizó en el laboratorio la urea CO(NH₂)₂, lo que estaba en contradicción con los pensamientos de aquella época, es decir, con la teoría de la "fuerza vital".

Hoy en día, se pueden sintetizar en el laboratorio la mayoría de las sustancias orgánicas, por esa razón la Química Orgánica ha pasado a llamarse la Química del carbono, ya que generalmente estos compuestos tienen enlaces C-C y C-H.

El extraordinario número de compuestos de carbono conocidos (más de 1'1 millones frente a 50.000 inorgánicos) se debe al carácter particular del mismo como más tarde comentaremos.

El carbono es un elemento que pertenece al grupo IVb y tiene una configuración electrónica de 1s², 2s², 2p². Dicha configuración presenta 4 electrones de valencia que utiliza para formar 4 enlaces covalentes, puesto que perder los 4 electrones o ganar otros 4 para completar su última capa requiere demasiada energía.

La gran variedad de los compuestos del carbono que existen es debida a su gran facilidad para unirse consigo mismo formando enlaces C ‑ C muy fuertes y de gran estabilidad con una variedad de casi infinita de disposiciones. Esto es lo que hace que el carbono sea un elemento único. Además, también tiene facilidad para unirse a otros no metales (H, O, N, Cl, F, Br, I, P y S principalmente).

El carbono en los compuestos orgánicos actúa siempre como un elemento tetravalente, (con valencia 4), mientras que en los inorgánicos actúa como divalente, (carbonatos y óxidos).

a) Hibridación sp³.

El carbono en su estado fundamental tiene una estructura electrónica de:        

Según ésto, el carbono sólo podría formar dos enlaces porque tiene sólo dos electrones desapareados. Se supone que cuando el carbono reacciona, un e^‑ del nivel 2s pasa al 2p vacío adquiriendo una configuración:

pero, además los cuatro enlaces son iguales, por lo que el orbital s y los 3 orbitales p se homogeneizan, se hibridan, y de los cuatro orbitales atómicos de partida se forman 4 orbitales idénticos (cada uno de ellos tiene una parte de s y tres de p, por lo que se denomina una hibridación sp³). Los 4 orbitales híbridos tienen idéntica energía, y se disponen de forma que el núcleo del átomo de carbono ocupa el centro de un tetraedro y los átomos a los que se une cada uno de sus vértices como se ve en la figura:

b) Hibridación sp² y sp.

El carbono también puede formar dobles y triples enlaces:

hay que observar que para romper el doble enlace no se necesita el doble de energía que para romper el simple enlace, sino algo menos, lo que indica que no deben ser idénticos sino que uno debe ser más débil que el otro. Esto se debe a que sólo se hibridan el orbital s y 2 orbitales p, quedando el otro orbital p como en el átomo original (hibridación sp²). Los tres orbitales híbridos tienen una disposición triangular plana (120º) y el orbital p que queda sin hibridar, se dispone formando un ángulo de 90º con el plano que contiene los 3 orbitales híbridos, tal y como muestra la figura:

entonces, entre dos átomos de carbono existen un enlace entre dos orbitales híbridos (uno de cada átomo) y otro enlace entre los orbitales p que han quedado sin hibridar, quedando dos orbitales híbridos de cada átomo para poderse enlazar a otros átomos:

son moléculas planas, impidiéndose el giro, lo que da lugar a la isomería geométrica ya que:

son compuestos con la misma fórmula pero que incluso poseen distintos puntos de ebullición.

En el triple enlace se produce una hibridación sp (sólo se homogeneizan un orbital s y otro p, quedando 2 orbitales p como en el átomo original):

se forman por lo tanto dos enlaces entre los orbitales p sin hibridar y otro entre uno de los dos orbitales híbridos, quedando otro para poderse enlazar a otros elementos:

En el triple enlace la molécula es lineal, que también tiene imposibilidad de rotar:

Hidrocarburos saturados
Alcanos

Los alcanos, o también llamados parafinas, pueden representarse por la fórmula general:   Cada átomo de carbono distribuye sus orbitales orientándolos hacia los vértices de un tetraedro (hibridación sp3). A medida que aumenta el número de carbonos se disponen espacialmente en forma de zig‑zag, tal y como se muestra en la figura de la derecha que representa al hidrocarburo de 8 átomos de carbono (octano).   Si la cadena es lineal, el hidrocarburo se nombra con un prefijo indicando el número de átomos de carbono existentes y el sufijo ‑ano:   Nombre nº de átomos de C Fórmula semidesarrollada Metano 1 CH4 Etano 2 CH3 ‑ CH3 Propano 3 CH3 ‑ CH2 ‑ CH3 Butano 4 CH3 ‑ (CH2)2 ‑ CH3 Pentano 5 CH3 ‑ (CH2)3 ‑ CH3 Hexano 6 CH3 ‑ (CH2)4 ‑ CH3 Heptano 7 CH3 ‑ (CH2)5 ‑ CH3 Octano 8 CH3 ‑ (CH2)6 ‑ CH3 Nonano 9 CH3 ‑ (CH2)7 ‑ CH3 Decano 10 CH3 ‑ (CH2)8 ‑ CH3 Undecano 11 CH3 ‑ (CH2)9 ‑ CH3 Dodecano 12 CH3 ‑ (CH2)10 ‑ CH3 Tridecano 13 CH3 ‑ (CH2)11 ‑ CH3 Tetradecano 14 CH3 ‑ (CH2)12 ‑ CH3 Eicosano 20 CH3 ‑ (CH2)18 ‑ CH3   A partir del propano, en el siguiente compuesto (C4H10), se pueden presentar dos posibilidades, la cadena lineal o ramificada: Isómeros son compuestos diferentes con la misma fórmula.  4 átomos de carbono 2 isómeros 7 átomos de carbono 9 isómeros 14 átomos de carbono 1858 isómeros Debe existir una nomenclatura adecuada para poderlos nombrar a todos. Para ello tenemos que seguir los siguientes pasos: Establecer la cadena más larga del compuesto a considerar y si existen varias posibilidades, la más sustituida. Nombrar los sustituyentes: Los sustituyentes se nombrarán de acuerdo con el hidrocarburo de idéntico número de átomos de carbono cambiando su terminación ‑ano por la de ‑il o ‑ilo. Hay que tener en cuenta que los radicales ramificados más sencillos tienen nombres especiales: Fórmula del radical nombre del hidrocarburo nombre del radical   Metano Metil   Etano Etil   Propano Propil   propano isopropilo   metilpropano isobutilo   butano secbutilo   metilpropano terbutilo   propeno vinilo   Numerar la cadena principal: La cadena principal se numera de un extremo al otro escogiendo aquel sentido en el que se dé a los sustituyentes el número más bajo posible.   Cuando hay varios sustituyentes idénticos, se agrupan indicando con un prefijo el número de ellos, (di, tri, tetra ... ), pero numerándolos todos según sus posiciones. en el ejemplo que nos ocupa hay dos metil, ambos en el carbono 2 y un etil en el carbono 4.   Los sustituyentes se nombran por orden alfabético (sin incluir el prefijo multiplicativo) y a continuación el nombre del hidrocarburo correspondiente a la cadena principal. Los números que indican las posiciones de los sustituyentes se separan por comas, y las ramificaciones por guiones:   Cuando el sustituyente es a su vez ramificado se nombran sus ramificaciones como sustituyentes, empezando a nombrar los átomos de carbono por el más cercano a la cadena principal. Por ejemplo:   Si la cadena de átomos de carbono es cerrada se llama con el prefijo ciclo y el nombre del hidrocarburo con el mismo número de átomos de carbono. Hidrocarburos insaturados Alquenos y Alquinos Los alquenos son hidrocarburos con algún carbono con hibridación sp2, es decir tienen algún doble enlace. Los más sencillos (con un solo doble enlace) tienen la fórmula CnH2n. Según la posición del doble enlace pueden ser alquenos interiores o terminales presentando pequeñas diferencias de reactividad. La forma de nombrarlos es igual que los alcanos del mismo número de átomos de carbono pero indicando la posición del doble enlace y cambiando la terminación ‑ano por ‑eno. Por ejemplo:   Con respecto a los alquinos, son moléculas que tienen carbonos con hibridación sp (tienen triples enlaces). La forma de nombrarlos es igual que los alcanos pero cambiando la terminación -ano por -ino: Hidrocarburos insaturados Hidrocarburos Aromáticos La característica común de todos los hidrocarburos aromáticos es que presentan un anillo cíclico de seis átomos de carbono con tres enlaces dobles alternados y sin embargo no presentan las reacciones típicas de los alquenos (adición y oxidación del doble enlace). La moderna teoría de orbitales moleculares, explica la estructura del benceno (molécula aromática más sencilla) suponiendo que los orbitales p de los átomos de carbono crean una densidad electrónica continua paralela al plano del anillo y los electrones de dichos orbitales p, están deslocalizados a lo largo del anillo lo que hace que estos supuestos dobles enlaces no sean atacados. Entonces la estructura del benceno se representará de la siguiente forma:    Los principales hidrocarburos aromáticos son: Compuesto Nombre Pfusión (ºC) Pebullición (ºC) Densidad a 20 ºC (gr/cm3 ) Benceno 5,5 80,1 0,879 Tolueno - 9,5 110,6 0,867 o - xileno - 25,2 144,4 0,880 m - xileno - 47,9 139,1 0,864 p - xileno 13,3 138,4 0,861 Bifenilo 69,2 254 ------- Estireno - 30,6 145,2 0,906 Naftaleno 80,3 218 ------- Antraceno 216,2     Alcoholes Se denomina alcohol a toda aquella sustancia que posea un grupo oxidrilo (OH) unido directamente a un átomo de carbono. Pueden clasificarse en: Alcoholes primarios: Se caracterizan porque el carbono unido al grupo ‑OH está en un extremo de la cadena:   Se nombran igual que el hidrocarburo del que provienen pero con la terminación ‑ol. Si el alcohol no es la función principal, se nombran con el prefijo hidroxi‑ con la numeración correspondiente, por ejemplo:                            Alcoholes secundarios: La función alcohol está en un carbono secundario:   y, de la misma manera que antes, si la función alcohol no es la principal:   (recuerda que hay que nombrar los sustituyentes por orden alfabético)   Alcoholes ternarios: La función alcohol está en un carbono ternario.   Alcoholes aromáticos: Los compuestos que llevan el grupo ‑OH sobre anillos bencénicos monocíclicos y bicíclicos se llaman respectivamente fenoles y naftoles. Por ejemplo:   Aldehídos Son compuestos orgánicos que tienen un carbono unido con un doble enlace a un oxígeno (grupo carbonilo) en un carbono terminal. Los aldehídos tienen la siguiente estructura:   si se escribe la fórmula semidesarrollada, los aldehídos se escriben como R-CHO, con el oxígeno al final, para diferenciarlos mejor de los alcoholes (R-OH). Se nombran igual que el hidrocarburo del que provienen pero con la terminación ‑al. Por ejemplo: (recuerda que hay que nombrar los sustituyentes por orden alfabético)   Cetonas Son compuestos orgánicos que tienen un carbono unido con un doble enlace a un oxígeno (grupo carbonilo) en un carbono secundario, será una cetona. Las cetonas tienen la siguiente estructura:    Se nombran con la terminación ‑ona e indicando el número del carbono que posee ese doble enlace con el oxígeno. Por ejemplo:   se puede comprender fácilmente que no hay cetonas con un número de carbonos inferior a tres:   observa en este compuesto no es necesario especificar en qué carbono está ubicado el carbono que está unido al oxígeno (grupo carbonilo), debido a que si estuviese en los carbonos terminales no sería una cetona y si se sitúa en cualquiera de los dos compuestos intermedios los compuestos resultantes son idénticos.   En casos complejos en los que haya otra función principal, la cetona (o el aldehído) se puede nombrar como sustituyente utilizando la partícula ‑oxo. Por ejemplo:   Por otra parte, el nombre vulgar de una cetona está formado por el sufijo cetona y los prefijos de los nombres de los grupos alquilo a los que está unido el grupo carbonilo en orden alfabético. Por ejemplo:   Ácidos carboxílicos Se caracterizan por tener un grupo llamado carboxilo (‑COOH). Su estructura es:   Son, por lo general, ácidos débiles, debido a la facilidad que tienen para desprender protones: Los ácidos de más bajo peso molecular poseen nombres característicos muy arraigados que se utilizan con mucha frecuencia:   Fórmula Nombre HCOOH Ac. fórmico CH3 ‑ COOH Ac. acético CH3 ‑ CH2 ‑ COOH Ac. propiónico CH3 ‑ CH2 ‑ CH2 ‑ COOH Ac. butírico La IUPAC recomienda nombrarlos con la palabra ácido delante y la terminación ‑oico. La cadena principal no tiene porque ser la más larga sino aquella que contiene al grupo carboxilo, y el carbono de este grupo es el numerado como "1" a la hora de nombrar los posibles sustituyentes. Por ejemplo:     Los grupos carboxilo, es evidente que sólo pueden situarse en carbonos terminales, por lo que si en una misma molécula hay dos grupos ácido, no es necesario especificar dónde se encuentran:     También los grupos carboxílicos pueden unirse a grupos arómaticos. Uno de los más importantes es el llamado ácido benzoico (C6H5COOH):