Atomii diferitelor elemente se pot uni în două moduri principale. Într-o legătură ionică, un metal dă unul sau mai mulți electroni unui nemetal, formând ioni încărcați opus care sunt ținuți împreună prin atracție electrică. Legăturile covalente se formează prin două sau mai multe nemetale care împărtășesc electroni. Compușii ionici nu formează molecule ca atare, ci în schimb, în formă solidă, constau din rețele cristaline tridimensionale care conțin un număr mare de atomi. Unii compuși covalenti pot forma rețele de cristale similare. O unitate de formulă este cel mai mic raport dintre atomii diferitelor elemente din acest tip de structură care poate fi exprimat ca numere întregi.
Compuși ionici
Un exemplu simplu este clorura de sodiu sau sare comună, un compus al elementelor sodiu și clor. Un cristal de sare constă din ioni de sodiu încărcați pozitiv legați de ioni de clorură încărcați negativ – ionii negativi formați de nemetale se termină în „-ide”. Cristalul conține un număr enorm de ioni de sodiu și clorură, dar există un ion de clorură pentru fiecare ion de sodiu, așa că unitatea de formulă arată câte unul din fiecare. Simbolurile chimice pentru sodiu și clor sunt Na și, respectiv, Cl, deci unitatea de formulă este scrisă ca NaCl.
Mulți compuși ionici sunt puțin mai complexi, de exemplu, oxidul de aluminiu. Aici, oxigenul caută doi electroni, iar aluminiul vrea să dea trei. Prin urmare, ei pot forma un compus stabil cu unitatea de formulă Al2O3. Numărul de atomi ai unui element din orice tip de formulă chimică apare în indice și în dreapta simbolului pentru acel element. Dacă există un singur atom prezent, numărul în indice este omis.
Compuși covalenți
Deși compușii și substanțele covalente formează adesea molecule distincte, autonome, ele pot forma și structuri cristaline. De exemplu, dioxidul de siliciu, cunoscut și sub numele de silice, poate forma cristale. Acestea sunt cunoscute în mod obișnuit sub denumirea de cuarț și, ca și sarea, constau dintr-un număr mare de doi atomi diferiți – în acest caz, siliciu și oxigen – dar ținute împreună prin legături covalente. Deoarece raportul dintre oxigen și atomii de siliciu este de 2:1, cuarțul are unitatea de formulă SiO2.
Termeni asociați
Există câțiva alți termeni, înrudiți, care ar putea provoca o oarecare confuzie. Formula empirică este un termen mai general pentru cel mai simplu raport de elemente dintr-un compus, fie ionic sau covalent, cristalin sau nu. Într-un compus cristalin, este același cu unitatea de formulă, dar termenul se aplică și moleculelor covalente necristaline autonome. Formula moleculară este numărul real de atomi ai fiecărui element dintr-o moleculă covalentă autonomă și nu se aplică compușilor ionici, deoarece aceștia nu formează molecule distincte.
În compușii ionici, unitatea de formulă tinde să fie utilizată pentru a arăta cel mai simplu raport de atomi, în timp ce în compușii covalenti necristalini, termenul obișnuit pentru aceasta este formula empirică. De exemplu, compușii carbon-hidrogen acetilenă și benzen conțin ambii același număr de carbon ca atomi de hidrogen și, prin urmare, ambii au formula empirică CH. Cu toate acestea, formula moleculară pentru acetilenă este C2H2, în timp ce cea pentru benzen este C6H6. Aceștia sunt compuși foarte diferiți, cu proprietăți diferite.
În mulți compuși covalenti, formula empirică și formula moleculară sunt aceleași. În apă, de exemplu, ambele sunt H2O. Acest lucru este însă rareori cazul compușilor organici, care pot fi foarte complexi. În acești compuși, există adesea mai multe posibilități pentru același raport de elemente, așa cum sa menționat deja cu acetilena și benzen. Uneori există multe variații diferite.
În multe cazuri, nici măcar formula moleculară nu spune întreaga poveste. De exemplu, glucoza și fructoza, două tipuri diferite de zahăr, au aceeași formulă moleculară, C6H12O6. Atomii de hidrogen și oxigen sunt, totuși, aranjați ușor diferit, dând celor doi compuși proprietăți ușor diferite. Formula empirică pentru glucoză și fructoză este CH2O.
Determinarea unității de formulă pentru un compus
În multe cazuri, tot ceea ce este necesar pentru a găsi unitatea de formulă pentru un compus ionic și pentru unii compuși covalenti cristalini simpli este cunoașterea câte legături simple sunt capabile să formeze elementele. În cazul metalelor, acesta este numărul de electroni pe care îi pot furniza, în timp ce în nemetale acesta este numărul de electroni pe care îi pot accepta sau, în cazul compușilor covalenți, îi împărtășesc. Acesta este cunoscut ca număr de oxidare. În mod normal, este pozitivă în metale – care pierd electroni încărcați negativ în formarea compușilor – și negativă în nemetale – care câștigă electroni, cel puțin atunci când se combină cu metale.
Revenind la exemplul oxidului de aluminiu, aluminiul are un număr de oxidare de +3, în timp ce oxigenul are un număr de oxidare de -2. Pentru a găsi unitatea de formulă pentru oxidul de aluminiu, aceste numere sunt pur și simplu schimbate pentru a da un compus cu trei atomi de oxigen pentru fiecare doi de aluminiu: Al2O3. Aceeași procedură funcționează pentru mulți alți compuși ionici și pentru unii compuși covalenți simpli. Există, totuși, complicații, deoarece unele elemente pot avea mai mult de un număr de oxidare, în funcție de circumstanțe. Fierul, de exemplu, poate fi +2 sau +3, iar multe nemetale pot avea numere de oxidare multiple, care pot fi pozitive în unii compuși covalenti.