Atomi različitih elemenata mogu se spojiti na dva glavna načina. U ionskoj vezi, metal daje jedan ili više elektrona nemetalu, tvoreći suprotno nabijene ione koji se drže zajedno električnom privlačnošću. Kovalentne veze formiraju dva ili više nemetala koji dijele elektrone. Ionski spojevi ne tvore molekule kao takve, već se umjesto toga, u čvrstom obliku, sastoje od trodimenzionalnih kristalnih rešetki koje sadrže veliki broj atoma. Neki kovalentni spojevi mogu formirati slične kristalne mreže. Jedinica formule je najmanji omjer između atoma različitih elemenata u ovoj vrsti strukture koji se može izraziti cijelim brojevima.
Jonski spojevi
Jednostavan primjer je natrijev klorid ili obična sol, spoj elemenata natrija i klora. Kristal soli sastoji se od pozitivno nabijenih natrijevih iona vezanih za negativno nabijene ione klorida – negativni ioni formirani od nemetala završavaju s “-ide”. Kristal sadrži ogroman broj natrijevih i kloridnih iona, ali postoji jedan kloridni ion za svaki natrijev ion, tako da jedinica formule prikazuje po jedan od svakog. Kemijski simboli za natrij i klor su Na, odnosno Cl, pa se jedinica formule piše kao NaCl.
Mnogi ionski spojevi su nešto složeniji, na primjer, aluminijev oksid. Ovdje kisik traži dva elektrona, a aluminij tri. Stoga mogu tvoriti stabilan spoj s jedinicom formule Al2O3. Broj atoma elementa u bilo kojoj vrsti kemijske formule pojavljuje se u indeksu i desno od simbola za taj element. Ako je prisutan samo jedan atom, podpisani broj se izostavlja.
Kovalentni spojevi
Iako kovalentni spojevi i tvari često tvore različite, samostalne molekule, također mogu formirati kristalne strukture. Na primjer, silicij dioksid, također poznat kao silicij, može formirati kristale. Oni su općenito poznati kao kvarc i, poput soli, sastoje se od ogromnog broja dva različita atoma – u ovom slučaju, silicija i kisika – ali ih drže zajedno kovalentne veze. Budući da je omjer kisika i atoma silicija 2:1, kvarc ima formulu jedinicu SiO2.
Povezani uvjeti
Postoji nekoliko drugih, povezanih pojmova koji bi mogli izazvati pomutnju. Empirijska formula je općenitiji izraz za najjednostavniji omjer elemenata u spoju, bilo ionski ili kovalentni, kristalni ili ne. U kristalnom spoju, isti je kao jedinica formule, ali se izraz također odnosi na samostalne, nekristalne kovalentne molekule. Molekularna formula je stvarni broj atoma svakog elementa u samostalnoj kovalentnoj molekuli i ne odnosi se na ionske spojeve, jer oni ne tvore različite molekule.
U ionskim spojevima jedinica formule obično se koristi za prikaz najjednostavnijih omjera atoma, dok je u nekristaliničnim kovalentnim spojevima uobičajeni naziv za to empirijska formula. Na primjer, spojevi ugljik-vodik acetilen i benzen sadrže isti broj ugljika kao i atomi vodika, pa stoga oba imaju empirijsku formulu CH. Međutim, molekulska formula za acetilen je C2H2, dok je za benzen C6H6. To su vrlo različiti spojevi, s različitim svojstvima.
U mnogim kovalentnim spojevima, empirijska formula i molekularna formula su iste. U vodi, na primjer, oboje su H2O. To je, međutim, rijetko slučaj s organskim spojevima, koji mogu biti vrlo složeni. U tim spojevima često postoji više od jedne mogućnosti za isti omjer elemenata, kao što je već navedeno kod acetilena i benzena. Ponekad postoji mnogo različitih varijacija.
U mnogim slučajevima, čak ni molekularna formula ne govori cijelu priču. Na primjer, glukoza i fruktoza, dvije različite vrste šećera, imaju istu molekularnu formulu, C6H12O6. Atomi vodika i kisika su, međutim, raspoređeni malo drugačije, dajući ova dva spoja malo različita svojstva. Empirijska formula za glukozu i fruktozu je CH2O.
Određivanje jedinice formule za spoj
U mnogim slučajevima, sve što je potrebno za pronalaženje jedinice formule za ionski spoj, i za neke jednostavne kristalne kovalentne spojeve, jest znanje o tome koliko pojedinačnih veza elementi mogu formirati. U slučaju metala, to je broj elektrona koji mogu dati, dok je kod nemetala to broj elektrona koje mogu prihvatiti ili, u slučaju kovalentnih spojeva, podijeliti. To je poznato kao oksidacijski broj. Obično je pozitivan u metalima – koji gube negativno nabijene elektrone u stvaranju spojeva – i negativan u nemetalima – koji dobivaju elektrone, barem kada se spajaju s metalima.
Da se vratimo na primjer aluminijevog oksida, aluminij ima oksidacijski broj +3, dok kisik ima oksidacijski broj -2. Da bi se pronašla jedinica formule za aluminijev oksid, ovi se brojevi jednostavno zamijene kako bi se dobio spoj s tri atoma kisika za svaka dva aluminij: Al2O3. Isti postupak radi za mnoge druge ionske spojeve, te za neke jednostavne kovalentne spojeve. Postoje, međutim, komplikacije, jer neki elementi mogu imati više od jednog oksidacijskog broja, ovisno o okolnostima. Željezo, na primjer, može biti +2 ili +3, a mnogi nemetali mogu imati višestruke oksidacijske brojeve, koji mogu biti pozitivni u nekim kovalentnim spojevima.