В возбужденном состоянии атом углерода четырехвалентен и может присоединить четыре одновалентных атома, таких, например, как атомы водорода.

Действительно, простейшим органическим соединением является метан CH₄. Логично предположить, что в молекуле метана три связи С–Н образованы перекрыванием p-орбиталей атома углерода и s-орбиталей трех атомов водорода, и а четвертая связь – перекрыванием s-орбиталей атомов углерода и водорода. В таком случае одна из связей должна отличаться от остальных по длине и энергии.

Кроме того три связи будут направлены под углом 90° друг к другу (p-электроны), и одна связь, образованную s-электроном, будет направлена произвольным образом, поскольку s-орбиталь имеет осевую симметрию. Однако в действительности это не так! Все связи атома углерода направлены к вершинам правильного тетраэдра и угол между ними составляет 109,5°.

Для объяснения этого факта американский химик Лайнус Полинг предложил теорию гибридизации атомных орбиталей (АО). Согласно этой теории атом углерода не имеет «чистых» s- и p-орбиталей. При образовании химических связей эти орбитали атома углерода усредняются по форме и энергии, превращаясь в четыре новые равноценные орбитали.

Гибридизация – это гипотетический процесс смешения разных орбиталей центрального атома многоатомной молекулы, и образование новых «гибридных» орбиталей, одинаковых по форме и энергии. Образующиеся «гибридные» орбитали имеют форму асимметричной гантели и отличаются от исходных орбиталей атома углерода. Энергия, выделяющаяся при образовании связи с участием гибридных АО, компенсирует затраты энергии на перевод атома углерода из основного состояния в возбужденное и на сам процесс гибридизации. Теория гибридизации объясняет реальное пространственное строение органических молекул.

Для атома углерода возможно три типа гибридизации: sр³-гибридизация, sр²-гибридизация, sp-гибридизация.