Atomi različnih elementov se lahko združijo na dva glavna načina. V ionski vezi kovina daje en ali več elektronov nekovini, pri čemer tvori nasprotno nabite ione, ki jih drži električna privlačnost. Kovalentne vezi tvorita dve ali več nekovin, ki si delijo elektrone. Ionske spojine ne tvorijo molekul kot take, temveč so v trdni obliki sestavljene iz tridimenzionalnih kristalnih rešetk, ki vsebujejo veliko število atomov. Nekatere kovalentne spojine lahko tvorijo podobne kristalne mreže. Formulna enota je najmanjše razmerje med atomi različnih elementov v tovrstni strukturi, ki se lahko izrazi kot cela števila.
Jonske spojine
Preprost primer je natrijev klorid ali navadna sol, spojina elementov natrija in klora. Kristal soli je sestavljen iz pozitivno nabitih natrijevih ionov, vezanih na negativno nabite kloridne ione – negativni ioni, ki jih tvorijo nekovine, se končajo z “-ide”. Kristal vsebuje ogromno število natrijevih in kloridnih ionov, vendar obstaja en kloridni ion za vsak natrijev ion, tako da enota formule prikazuje enega od vsakega. Kemična simbola za natrij in klor sta Na oziroma Cl, zato je enota formule zapisana kot NaCl.
Mnoge ionske spojine so nekoliko bolj zapletene, na primer aluminijev oksid. Tukaj kisik išče dva elektrona, aluminij pa želi dati tri. Zato lahko tvorijo stabilno spojino s formulno enoto Al2O3. Število atomov elementa v kateri koli vrsti kemijske formule je prikazano v nizu in desno od simbola za ta element. Če je prisoten samo en atom, je podpisano število izpuščeno.
Kovalentne spojine
Čeprav kovalentne spojine in snovi pogosto tvorijo ločene, samostojne molekule, lahko tvorijo tudi kristalne strukture. Na primer, silicijev dioksid, znan tudi kot silicijev dioksid, lahko tvori kristale. Ti so splošno znani kot kvarc in so tako kot sol sestavljeni iz ogromnega števila dveh različnih atomov – v tem primeru silicija in kisika -, vendar jih držijo skupaj s kovalentnimi vezmi. Ker je razmerje med kisikom in atomi silicija 2:1, ima kremen formulo enoto SiO2.
Sorodni pogoji
Obstaja še nekaj drugih, povezanih izrazov, ki lahko povzročijo zmedo. Empirična formula je bolj splošen izraz za najpreprostejše razmerje elementov v spojini, bodisi ionsko ali kovalentno, kristalno ali ne. V kristalni spojini je enaka enoti formule, vendar se izraz uporablja tudi za samostojne, nekristalne kovalentne molekule. Molekulska formula je dejansko število atomov vsakega elementa v samostojni kovalentni molekuli in ne velja za ionske spojine, saj te ne tvorijo ločenih molekul.
V ionskih spojinah se enota formule običajno uporablja za prikaz najpreprostejšega razmerja atomov, medtem ko je v nekristalnih kovalentnih spojinah običajen izraz za to empirična formula. Tako na primer spojini ogljik-vodik acetilen in benzen vsebujeta enako število ogljika kot vodikovi atomi, zato imata obe empirično formulo CH. Molekulska formula za acetilen pa je C2H2, medtem ko je za benzen C6H6. To so zelo različne spojine z različnimi lastnostmi.
V mnogih kovalentnih spojinah sta empirična formula in molekulska formula enaki. V vodi sta na primer oba H2O. To pa redko velja za organske spojine, ki so lahko zelo zapletene. V teh spojinah je pogosto več možnosti za enako razmerje elementov, kot je bilo že omenjeno pri acetilenu in benzenu. Včasih obstaja veliko različnih različic.
V mnogih primerih niti molekularna formula ne pove celotne zgodbe. Na primer, glukoza in fruktoza, dve različni vrsti sladkorja, imata isto molekulsko formulo, C6H12O6. Vendar sta atoma vodika in kisika nekoliko drugače razporejena, kar daje spojini nekoliko drugačne lastnosti. Empirična formula za glukozo in fruktozo je CH2O.
Določanje enote formule za spojino
V mnogih primerih je vse, kar je potrebno za iskanje enote formule za ionsko spojino in za nekatere preproste kristalne kovalentne spojine, znanje o tem, koliko enojnih vezi lahko elementi tvorijo. Pri kovinah je to število elektronov, ki jih lahko zagotovijo, medtem ko je pri nekovinah to število elektronov, ki jih lahko sprejmejo ali v primeru kovalentnih spojin delijo. To je znano kot oksidacijsko število. Običajno je pozitiven v kovinah – ki izgubijo negativno nabite elektrone pri tvorbi spojin – in negativen pri nekovinah – ki pridobijo elektrone, vsaj pri združevanju s kovinami.
Če se vrnemo k primeru aluminijevega oksida, ima aluminij oksidacijsko število +3, medtem ko ima kisik oksidacijsko število -2. Da bi našli enoto formule za aluminijev oksid, se te številke preprosto zamenjajo, da dobimo spojino s tremi atomi kisika za vsaka dva aluminija: Al2O3. Isti postopek deluje za številne druge ionske spojine in za nekatere preproste kovalentne spojine. Vendar pa obstajajo zapleti, saj imajo nekateri elementi lahko več kot eno oksidacijsko število, odvisno od okoliščin. Železo je na primer lahko +2 ali +3, številne nekovine pa imajo lahko več oksidacijskih števil, ki so lahko pozitivna v nekaterih kovalentnih spojinah.