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碳是一种元素，除了氢以外，它形成的化合物比其他元素都要多，其中大部分是有机化合物。
碳原子的电子结构是1s22s22p2，在基态下，根据洪特规则，有两个2p电子是未成对的。为了解释碳的四价状态，我们必须假设它被激发到2s2px2py2pz的化合价态。C4+离子在常规化学过程中不会出现，但C4-离子可能存在于一些碳化物中。一般来说，碳形成共价键。
通过研究这些类型的过渡物种的有机反应机理，我们获得了许多关于含碳阳离子、阴离子和自由基的证据。
例如，R1R2R3C+是一种稳定的正碳离子。一个早期发现的例子是三苯甲基阳离子，它的稳定性主要是由于正电荷高度离域，类似于共振结构中的正则形式。它在某些方面的行为类似于其他大体积的一价阳离子，如Cs+、R4N+、R4As+，并与大体积的阴离子如BF4-、GaCl4-形成不溶盐。有很好的证据支持这种阳离子的存在。
负碳离子R1R2R3C-一般不会长时间存在，除非它的负电荷能够有效地离域。三苯甲基负碳离子是一个很好的例子，茂基阴离子也是如此。事实上，茂基阴离子的负电荷在所有碳原子上均匀地离域化，它是一个平面的正五边形，并且可以通过(10-IV)清楚地描述其π电子云的分布。
还有一些稳定的负碳离子(10-Va、b、c)，它们可以在晶体盐中单独存在，与中心碳原子形成的键都是平面结构。
此外，还有许多寿命相当长的自由基，如三苯甲基自由基。它们的稳定性主要是由于离域作用(在这种情况下是单电子)，在某些结构中，它们只是用单电子代替了电子对，例如(C6H5)3C-。
甲基自由基和取代的甲基自由基经常是重要的反应中间体。最近的研究表明，CH3是平面型的，而CF3、CCl3和CBr3是角锥形的。
除了有机化合物，还存在许多二价碳化合物，如CRR'，通常称为亚碳。尽管它们的寿命很短，但它们在许多反应中起着重要作用。产生亚碳的一种常见方法是通过重氮基链烷的光解作用。亚碳具有进行反应的倾向，例如与烯烃反应。
要确定亚碳的结构和基态状态是困难的。实验数据和计算表明，除了二卤化亚碳和与O、N或S形成二价碳键的亚碳外，大多数亚碳具有两个未成对电子并呈弯曲结构。有一些化合物可能是例外，它们可能没有未成对电子。
值得注意的是，SiF2和其他第IV族MX2化合物(第11章)可能具有类似亚碳的行为。
过渡金属的亚碳配合物将在第二十三章中讨论。
碳化学的一个主要特点是碳原子不仅形成单键，还形成多重键(10-VI、VII、VIII)来构成链或环。为了实现这一点，每个碳原子至少必须是二价的，并且它们之间必须形成牢固的键。硫和硅是次于碳的成链元素，但在这方面远不如碳。
