شیمی آلی ،مطالعه ترکیبات کربن است. اگر چه تقسیم شیمی به آلی و معدنی از لحاظ تاریخی صورت گرفته است،برای این تقسیم، دلیل علمی وجود ندارد.

یک اتم شامل هسته مثبت استکه به وسیله یک یا چند الکترون منفی فرا گرفته است. ساختار الکترونی یک اتم را می توان به وسیله یک تابع موج مکانیک کوانتومی توصیف کرد که در آن الکترونها در اوربیتال های پیرامون هسته قرار می گیرند. اوربیتال های متفاوت دارای ترازهای انرژی متفاوت و همچنین شکل های متفاوتی هستند. مثلا اوربیتال های s كروي هستن و اوربيتال هاي p به دنبل شباهت دارند. آرايش الكتروني يك اتم را با قرار دادن الكترونها در اوربيتالهاي مناسب، از كم انر‍‍‍ژی ترین اوربیتال، می توان به دست آورد.

پيوندهاي كووالانسي، نتيجه اشتراك يك جفت الكترون در بين اتمها هستند. بر اسا نظريه پيوند ظرفيتي، اشتراك الكترون از طريق همپوشاني دو اوربيتال اتمي صورت ميگيرد. بر اساس نظريه اوربيتال مولكولي MO ، پيوندها نتيجه تركيب اوربيتالهاي اتمي و تشكيل اوربيتالهاي مولكولي متعلق به كل مولكول، هستند. پيوندهاي كه داراي سطح مقطع دايره‌اي باشند، از برهمكنش سر به سر اوربيتالها به وجود مي آيند و به پيوندهاي سيگما مشهورند. پيوندهاي حاصل از برهمكنش جانبي اوربيتال‌هاي p را پيوند‌هاي پي نامند.

كربن، براي تشكيل پيوند در مولكولهال آلي، از اوربيتالهاي هيبريدي استفاده مي‌كند. هنگام تشكيل پيوندهاي ساده در يك آرايش چهاروجهي، كربن داراي چهار اوربيتال هيبريدي sp3 هم ارز است. براي تشكيل يك پيوند دوگانه در وضعيت هندسي مسطح، از سه اوربيتال هيبريدي sp2 و يك اوربيتال p  هيبريد نشده استفاده مي‌كند. پيوند دوگانه كربن- كربن، نتيجه، اتصال دو اتم كربن sp2 به يكديگر است. هنگام تشكيل بك پيوند سه‌گانه با وضعيت هندسي خطي، كربن داراي دو اوربيتال هيبريد sp دو اوربيتال p هيبريد نشده است. پيوند سه‌گانه كربن- كربن نتيجه اتصال دو اتم كربن sp به يكديگر است.

اتم‌هاي ديگر، مانند نيترو‍ژن و اکسیژن نیز برای پیوند های قوی و جهتدارُ به صورت هیبریدی در می آیند. اتم نیتروزن در آمونیاک و اتم اکسیژن در آب دارای هیبرید sp3 هستند.