Электронная оболочка невозбуждён­ного атома углерода имеет строение 1s²2s²2p². Вступая в химическую реак­цию, атом углерода, поглощая не­большую энергию, приобретает кон­фигурацию 1s²2s¹2p³. Теперь он в состоянии образовывать химические связи за счёт одной 2s- и трёх 2р-орбиталей. Исходя из этого, можно бы­ло бы ожидать, что характеристики связей в молекуле метана будут отли­чаться друг от друга. Между тем в ней все четыре связи С—Н равноценны, имеют тетраэдрическую ориентацию в пространстве и одинаковы по дли­не и энергии.

Для объяснения этого факта аме­риканский учёный Лайнус Полинг (1901 — 1994) выдвинул идею о гибри­дизации атомных орбиталей. Если у атома, вступающего в химическую связь, имеются неспаренные электро­ны на разных орбиталях, (s-,p-, d- или f-), то в процессе формирования хи­мической связи происходит гибриди­зация (смешение) орбиталей, т. е. из разнотипных атомных орбиталей об­разуется набор одинаковых. Гибрид­ные орбитали из одного набора экви­валентны: их нельзя отличить друг от друга по форме или по энергии, у них не совпадает только ориентация в пространстве.

Атом углерода при образовании химических связей обладает способ­ностью проявлять не одну, а целых три разновидности гибридизации орбиталей.

В случае sp³-гибридизации образу­ется набор из четырёх гибридных орбиталей с тетраэдрическим распо­ложением в пространстве. С их помо­щью формируются простые ковалентные связи, в которых участвуют два электрона, например связь угле­род-водород или углерод-углерод в молекуле этана (см. статью «Дети „чёрного золота"»).

При sp²-гибридизации образуется набор из трёх гибридных орбиталей, находящихся в одной плоскости, а од­на p-орбиталь остаётся негибридизованной, располагаясь перпендикуляр­но к этой плоскости. Комбинация одной гибридной и одной негибридизованной орбитали даёт двойную кратную связь. Примером может слу­жить связь С=С в этилене, в форми­ровании которой участвуют четыре электрона.

Наконец, в случае sp-гибридизации возникает набор из двух гибридных орбиталей, имеющих линейную ори­ентацию. В образовании тройной кратной связи СºС участвует одна ги­бридная и две негибридизованные орбитали каждого атома углерода. Это шестиэлектронная связь. Очень важно, что атомы углерода способны образо­вывать двойные и тройные связи не только друг с другом, но и с атомами некоторых других элементов. Напри­мер, двойная связь углерод-кислород присутствует в молекулах многих ор­ганических соединений, например альдегидов и кислот. Тройная связь CºN имеется в нитрилах.

В структурных формулах одинар­ную, двойную и тройную связь изо­бражают одной, двумя и тремя чёр­точками (валентными штрихами) между атомами соответственно (см. формулы на полях).