在 週期表上，可挑出地球上最豐富的幾種原子 – 碳、氫、氧、氮。因為它們的原子量都不大，容易在宇宙生成，因此方便取得應用。另外，兩個較小原子之間的鍵結，原子核的間距較短，會有較強的鍵能，所生成的化合物比較穩固。因此很自然地，地球上的生物便採取了這種以碳氫氧氮為主的組合系統，也是有機化學的主要探討對象。
碳、氮、氧扣除內層的兩個電子後，其外層電子依序是 4, 5, 6，分布在一個 2s 軌道與三個 p 軌道上繞行，依據量子力學的計算，這四個軌道可以平均起來，重新分配成四個相同的混成軌道，稱為 sp3；基本上碳氮氧都可以看作是這種混成軌道，把上述的 4, 5, 6 個外層電子依序放到四個軌道中，因此碳原子每個軌道都含單一電子，氮有一個軌道含有飽和的兩個電子，氧原子則有兩個飽和。若把上面含單一電子的軌道以氫原子填滿，碳可接四個氫，便是 CH4，氮接三個氫成為 NH3，氧接兩個成為 H2O，這些物質可能是早期地球上最豐富的物質
氧原子也是用 sp3 混成軌道，其外層電子數為 6，因此有兩個軌道是飽和的，電子分配為 2-2-1-1，後面兩個單電子軌道則分別接一氫原子，成為氧化二氫 (H2O)。 這兩個已經飽和的軌道稱為 lone pair electrons (lp)，經常被忽視，忘記了它們在水分子性質上的重大影響與貢獻。 這兩對 lp 佔據了水分子相當大的體積，約有一半都被 lp 電子所佔據，形成帶有極強負電的一端。
除了 與氫原子結合外，碳也可以與其他原子結合，其中若與其他碳原子結合，在所形成的碳長鏈上，再接上其他原子，便可組成多采多姿的各種有機化合物。碳的這種組合特性極為驚人，因為碳有四個含有單一電子的『半空』sp3 軌道，每個軌道都可以接上另一個原子，如此四個方向連綿不斷，可長可短，可簡單可複雜。有機化學便是研究以碳為主角的各種化合物，及其種種反應。
除了碳之外，氮與氧的角色也很重要。當氮或氧原子接到碳的長鏈上去，配合以氫去填滿原子軌道，便可以組成種種官能基。例如，在兩個碳的分子鏈上 (C-C)，加上一個氧原子 (C-C-O-)，這個氧原子必須再接一個氫 (因為氧有兩個單原子的空軌道)，成為 C-C-OH 便得醇基，寫成 CH3-CH2-OH 就是乙醇。如此，若接上氮原子形成 –NH2 的胺基，或者較複雜的 –COOH 酸基。 有一類分子也是以碳原子為中心，碳的四個鍵結分別接上胺基、酸基、氫以及一個任意基團，因為同時含有胺基及酸基，因此稱為胺基酸，可說是建構生物體的基本磚塊。
當兩個原子接在一起時，雙方各出一個電子，形成共用兩個電子的共價鍵。但是，兩個原子核對這兩個共用電子的吸引力並不相同，使得電子在分子上的分佈不很均勻，經常偏向某個原子，就是分子具有『極性』的原因。原子之間，對電子為何有不同的吸引力？ 這是因為它們的原子核中，帶正電的質子數目不同所致；例如氧原子在週期表的右側，含有八個質子，因此它比只含有六個質子的碳原子，更能吸引電子 (陰電性很高)。
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