碳在元素周期表中属第ⅣA族头一名元素，位于非金属性最强的卤素元素和金属性最强的碱金属之间。它的价电子层结构为2s22p2，在化学反应中它既不容易失去电子，也不容易得到电子，难以形成离子键，而是形成特有的共价键，它的最高共价数显然为4。
碳原子sp3杂化
碳原子sp2杂化
碳原子sp杂化-1
碳原子sp杂化-2
碳原子的sp3杂化可以生成4个σ键，形成正四面体构型。例如金刚石、甲烷CH4、四氯化碳CCl4、乙烷C2H6等。
在甲烷分子中，C原子4个sp3杂化轨道与4个H原子生成4个σ共价键，分子构型为正四面体结构。
碳原子的sp2杂化生成1个σ键，2个∏键，平面三角形构型。例如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。
在COCl2分子中，C原子以3个sp2杂化轨道分别与2个Cl原子和1个O原子各生成1个σ共价键外，它的未参加杂化的那个p轨道中的未成对的p电子O原子中的对称性相同的1个p轨道上的p电子生成了一个∏共价键，所以在C和O原子之间是共价双键，分子构型为平面三角形。
生成2个σ键，未杂化轨道生成2个Π键，直线形构型。例如CO2、HCN、C2H2等。
在CO2分子中，C原子以2个sp杂化轨道分别与2个O原子生成2个σ共价键，它的2个未参加杂化的p轨道上的2个p电子分别与2个O原子的对称性相同的2个P轨道上的3个p电子形成2个三中心四电子的大∏键，所以CO2是2个双键。
在HCN分子中，C原子分别与H和N原子各生成1个σ共价键外，还与N原子生成了2个正常的∏共价键，所以在HCN分子中是一个单键，1个叁键。
生成1个σ键，1个∏键，未杂化轨道生成1个配位∏键和1对孤对电子对，直线型构型。例如在CO分子中，C原子与O原子除了生成一个σ共价键和1个正常的∏共价键外，C原子的未参加杂化的1个空的p轨道可以接受来自O原子的一对孤电子对而形成一个配位∏键，所以CO分子中C与O之间是叁键，还有1对孤电子对。
碳原子不仅仅可以形成单键、双键和叁键，碳原子之间还可以形成长长的直链、环形链、支链等等。纵横交错，变幻无穷，再配合上氢、氧、硫、磷、和金属原子，就构成了种类繁多的碳化合物。
