Compuşii chimici sunt clasificaţi în două mari categorii: compuşi organici şi compuşi anorganici.

Ureea este primul compus organic obţinut în laborator dintr-un compus anorganic. În 1828, chimistul german Friederich Wöhler a produs uree prin încălzirea cianatului de amoniu.

Datorită acestei descoperiri, compuşii organici au fost definiţi drept compuşi care conţin carbon.

Carbonul este primul element din grupa 14, se află la mijlocul perioadei a 2-a  şi are 4 e^- de valenţă. Având 4 e^- de valenţă, carbonul preferă să pună electroni în comun pentru a forma legături chimice. Acest lucru, împreună cu faptul că are cel mai mic volum atomic din grupa 14, face ca elementul carbon să poată forma milioane de compuşi stabili. Carbonul este supranumit şi “elementul vieţii”, făcând parte din absolut toate formele de viaţă cunoscute.

Chimia organică studiază tot ce ţine de compuşii organici: proprietăţile lor fizice şi chimice, structura lor, sinteza, cât şi mecanismele de reacţie prin care se produc reacţiile chimice la care participă compuşi organici.

Moleculele substanţelor organice sunt formate din lanţuri de atomi de carbon de care se pot lega şi atomi ai altor elemente. Lanţurile de atomi de carbon se numesc catene.

În funcţie de compoziţia lor, substanţele organice se împart în hidrocarburi şi compuşi organici cu funcţiuni.

Hidrocarburile sunt cele mai simple substanţe organice, ele fiind formate numai din atomi de carbon şi hidrogen.

Compuşii organici cu funcţiuni sunt substanţe organice de ale căror catene de carbon se leagă şi atomi ai altor elemente. Aceste elemente, numite elemente organogene, sunt următoarele: H, O, N, F, Cl, Br, I, S, P, şi atomi sau ioni metalici. Fiecare atom, sau fiecare grupă de atomi formată din aceste elemente imprimă substanţelor care le conţin anumite proprietăţi specifice, de aceea, fiecare astfel de grupă de atomi este considerată o grupă funcţională. Exemple de grupe funcţionale sunt: halogenii (F, Cl, Br, I) care formează clasa compuşilor halogenaţi, gruparea hidroxil ( -OH) care formează clasa alcoolilor şi fenolilor, gruparea amino ( -NH₂) care formează clasa aminelor, etc.

Legătura covalentă se formează prin punerea în comun de electroni neîmperecheaţi, adică prin întrepătrunderea a doi orbitali monoelectronici. Astfel, se formează un orbital molecular de legătură.

Atomul de carbon are doi orbitali monoelectronici, adică doi orbitali care conţin, fiecare, câte un electron. Aceşti orbitali, în stare fundamentală, nu asigură întrepătrunderea maximă necesară formării legăturilor covalente stabile. De aceea, în timpul reacţiilor chimice, orbitalii în care se găsesc electronii de valenţă ai carbonului suferă un proces de hibridizare.

Hibridizarea este procesul de redistribuire a electronilor de valenţă în noi orbitali, în orbitalii hibrizi.

Orbitalii hibrizi au o nouă formă, o nouă energie, şi o nouă orientare în spaţiu faţă de orbitalii atomici. Formarea legăturilor covalente este favorizată atât energetic cât şi steric.

Atomii de carbon, de azot, şi de oxigen formează orbitali hibrizi.

Cele mai importante hibridizări adoptate de atomii din compuşii organici sunt hibridizările sp³, sp² şi sp. Atomul de carbon adoptă toate cele 3 tipuri de hibridizare, în funcţie de natura legăturii covalente pe care o stabileşte cu alţi atomi.

Atomul de carbon are 4 electroni de valenţă şi poate forma 4 legături covalente. Legăturile covalente din compuşii organici pot fi:

• legături covalente simple: C – C;
• legături covalente duble: C = C;
• legături covalente triple: C ≡ C.

Imaginea de mai jos compară volumele orbitalilor hibrizi cu volumul unui orbital p:

Hibridizarea sp³ la atomii de carbon: prin combinarea orbitalului 2s cu cei 3 orbitali 2p ai carbonului rezultă 4 orbitali hibrizi sp³. Cei 4 orbitali sp³ astfel obţinuţi au aceeaşi energie, mai mare decât a orbitalului 2s şi mai mică decât a orbitalilor 2p.

Orientarea spaţială este tetraedrică. Prin intermediul orbitalilor hibrizi sp³, atomul de carbon formează numai legături covalente simple care se mai numesc şi legături σ (sigma). Pentru a se forma o legătură σ, 2 atomi pun în comun o pereche de electroni. Aşadar, atomul de carbon hibridizat sp³ poate forma 4 legături σ.

Hibridizarea sp² la atomii de carbon: presupune combinarea orbitalului 2s cu 2 orbitali 2p. Rezultă 3 orbitali hibrizi sp² şi un orbital p nehibridizat. Orbitalii sp² au formă bilobală cu un lob extins. Au energie mai mare decât a orbitalului 2s şi mai mică decât energia orbitalior 2p.

Un atom de carbon hibridizat sp² realizează 3 legături σ cu cei trei orbitali hibrizi sp², iar cu orbitalul p nehibridizat, realizează o legătură π (pi). Aşadar, atomul de carbon sp² realizează o legătură dublă, formată dintr-o legătură σ şi o legătură π, şi 2 legături σ.

Hibridizarea sp la atomii de carbon: presupune combinarea orbitalului 2s cu un orbital 2p, combinare din care rezultă 2 orbitali hibrizi sp. Orbitalii sp au formă bilobală cu un lob extins. Au energia mai mare decât a orbitalului 2s, şi mai mică decât a orbitalilor 2p.

Un atom de carbon hibridizat sp realizează 2 legături σ cu cei doi orbitali hibrizi sp, şi 2 legături π cu cei doi orbitali p nehibridizaţi. Aşadar, atomul de carbon hibridizat sp poate realiza o legătură triplă şi o legătură simplă, sau poate realiza 2 legături duble. Legătura triplă este formată din 2 legături π şi o legătură σ.

Atomii de azot pot avea şi ei aceste trei tipuri de hibridizări, sp³, sp², şi sp, aşadar, şi atomii de azot pot forma legături duble sau triple.

Atomii de oxigen poate avea numai hibridizare sp³.

Tăria unei legături covalente depinde, printre alţi factori, şi de forma orbitalului molecular de legătură care se formează. Legătura π este mai slabă şi mai reactivă decât legătura σ.

Atomii de carbon au 4 valenţe pe care le pot folosi pentru a se combina cu alţi atomi de carbon, cu atomi de hidrogen, sau chiar şi cu atomi ai altor elemente.

Compuşii organici saturaţi sunt compuşii în care atomii de carbon îşi folosesc toate cele 4 valenţe pentru a forma 4 legături simple σ (sigma), deci pentru a se lega de alţi 4 atomi.

Compuşii organici nesaturaţi sunt compuşii în care atomii de carbon formează cel puţin o legătură π (pi) între doi atomi de carbon, aşadar compuşii nesaturaţi sunt cei care conţin legături duble sau triple. În aceşti compuşi, nu toţi atomii de carbon componenţi se leagă de numărul maxim de atomi, adică 4 – există şi atomi de carbon care se leagă fie de alţi 3 atomi (în cazul unei legături duble), fie de alţi 2 atomi (în cazul unei legături triple).

În funcţie de structura lor, catenele de carbon se clasifică în:

• catene saturate: conţin numai legături simple σ între atomii de carbon;
• catene nesaturate: conţin cel puţin o legătură π între 2 atomi de carbon, deci în catenă există cel puţin o legătură dublă;

În funcţie de cum se leagă atomii de carbon între ei, catenele de carbon pot fi:

• catene liniare: când atomii de carbon se leagă consecutiv, în linie. Catenele liniare pot fi saturate sau nesaturate;
• catene ramificate: când atomii de carbon se leagă şi de o parte şi de alta ai unei catene liniare. Catenele ramificate pot fi saturate sau nesaturate;
• catene ciclice: când atomii de carbon se leagă într-o structură geometrică închisă, de exemplu în forma unui hexagon, sau a unui pătrat. Catenele ciclice pot fi saturate sau nesaturate;
• catene aromatice: sunt formate din cicluri de 6 atomi de carbon numite nuclee aromatice sau nuclee benzenice care conţin atât legături σ cât şi electroni π delocalizaţi. Catenele aromatice pot fi mononucleare sau polinucleare.

În funcţie de numărul de legături prin care se leagă de alţi atomi de carbon (după numărul de covalenţe pe care un atom de carbon le stabileşte cu alţi atomi de carbon), atomii de carbon pot fi:

• Carbon nular (n): toate cele 4 covalenţe sunt realizate cu atomi ai altor elemente;
• Carbon primar (p): realizează o singură covalenţă cu un alt atom de carbon;
• Carbon secundar (s): realizează 2 covalenţe cu alţi atomi de carbon;
• Carbon terţiar (t): realizează 3 covalenţe cu alţi atomi de carbon;
• Carbon cuaternar (c): realizează toate cele patru covalenţe cu alţi atomi de carbon.

În funcţie de compoziţia lor, compuşii organici se clasifică în două mari categorii:

1. Hidrocarburi: compuşi formaţi numai din atomi de carbon şi hidrogen. Hidrocarburile pot fi, la rândul lor: saturate, nesaturate, aromatice.
2. Derivaţi ai hidrocarburilor sau compuşi organici cu funcţiuni: compuşi care conţin în structura lor şi atomi ai elementelor organogene (H, O, N, F, Cl, Br, I, S, P, şi atomi sau ioni metalici) sub formă de grupări funcţionale care imprimă hidrocarburilor proprietăţi specifice:
   1. compuşi halogenaţi: R – X (X = F, Cl, Br, I);
   2. alcooli: R – OH;
   3. eteri: R – O – R;
   4. compuşi carbonilici: aldehide sau cetone;
   5. amine: R – NH₂;
   6. acizi sulfonici: R – SO₃H;
   7. acizi carboxilici: R – COOH, etc.  

Cu R se notează, de obicei, un radical hidrocarbură. 

Noţiunea de structură chimică se referă la natura atomilor dintr-o moleculă, la numărul lor şi la felul în care sunt legaţi în acea moleculă.

Analiza elementală este prima etapă în stabilirea structurii unui compus organic. Analiza elementală presupune două tipuri de analiză, şi anume analiză calitativă şi cantitativă. Se supun unor astfel de analize numai compuşii organici puri.

Analiza calitativă stabileşte speciile de atomi care compun substanţa analizată. Acest tip de analiză se poate face prin metoda arderii ce presupune analiza gazelor rezultate din arderea compusului organic prin reacţii chimice specifice.

Analiza cantitativă stabileşte numărul de atomi din fiecare specie, adică stabileşte compoziţia substanţei analizate. Prin acest tip de analiză se determină masa şi concentraţia în compus a fiecărui tip de atom prezent.

Formula procentuală a fiecărui element din compus indică masa fiecărui element din 100 g de substanţă analizată.

Formula brută arată natura atomilor şi raportul în care se găsesc în moleculă, exprimat prin numere întregi.

Formula moleculară indică felul atomilor din moleculă şi numărul exact al acestora. Formula moleculară este, de fapt, un multiplu întreg al formulei brute şi se poate determina din formula brută dacă se cunoaşte masa molară a substanţei de analizat.

Formula structurală precizează modul de legare al atomilor în moleculă. Formula structurală precizează următoarele trei aspecte ale structurii unei substanţe organice:

• succesiunea sau aranjamentul atomilor în moleculă;
• tipul legăturilor covalente dintre atomii de carbon;
• orientarea atomilor în spaţiu.

Structura unui compus chimic poate fi redată cu ajutorul formulelor de proiecţie. Cel mai des, în scris, se utilizează formulele de proiecţie restrânse numite şi formule plane. Imaginea de mai jos redă formula de proiecţie şi formula de proiecţie restrânsă ale aceluiaşi compus.

Izomerii sunt compuşii organici care au aceeaşi formulă moleculară, deci conţin acelaşi tip şi acelaşi număr de atomi, însă aceşti atomi nu sunt legaţi în acelaşi fel, izomerii având astfel structuri diferite.

Izomerii se clasifică în două mari categorii: izomeri de constituţie şi izomeri sterici.

Izomerii de constituţie diferă prin modul de legare al atomilor, iar proprietăţile fizice şi chimice ale acestor izomeri sunt foarte diferite. Exemple sunt izomerii de catenă, izomerii de poziţie, şi izomerii de funcţiune.

Izomerii sterici au un aranjament spaţial diferit al unor atomi sau al unor grupe de atomi, iar proprietăţile fizice şi chimice ale acestor izomeri diferă mai puţin. În categoria izomerilor sterici intră izomerii optici şi izomerii geometrici.