Le formule empiriche descrivono il rapporto di ciascun tipo di atomo in una sostanza. La parola “empirico” si riferisce alle origini delle formule empiriche nei risultati osservabili; cioè, le formule sono determinate dall’esperimento. Gli scienziati testano la composizione di composti sconosciuti osservando la loro formazione o le loro interazioni con sostanze note. Il rapporto degli atomi in un composto dà solo un’idea approssimativa della sua natura, ma è una base per ulteriori indagini.
Se gli scienziati possono creare un composto e conoscere la composizione dei reagenti, o le sostanze che reagiscono, possono determinare la formula empirica del prodotto. Eseguono la reazione per produrre il prodotto senza lasciare input non reagiti. Monitorano anche le proporzioni dei reagenti che entrano nella reazione. È importante che conoscano la proporzione di molecole dei reagenti piuttosto che la proporzione di massa o volume perché queste misurazioni possono variare per molecole diverse. La proporzione di reagenti dice loro la proporzione di atomi nel prodotto poiché tutte le molecole che hanno inserito vengono utilizzate nella reazione.
Un altro metodo per determinare le formule empiriche consiste nel far reagire un composto con un’altra sostanza e osservare i prodotti della reazione. Gli scienziati usano comunemente questo metodo per analizzare gli idrocarburi, sostanze che contengono solo atomi di carbonio e idrogeno. Bruciano idrocarburi sconosciuti e raccolgono l’anidride carbonica e il vapore acqueo che la reazione produce.
Quando un idrocarburo brucia, reagisce con l’ossigeno; la reazione può essere rappresentata come A CfHg + B O2 –> D CO2 + E H2O, dove A, B, D ed E indicano le proporzioni delle molecole nella reazione e f e g rappresentano le proporzioni di carbonio e idrogeno nell’idrocarburo . Gli sperimentatori misurano la massa di anidride carbonica e vapore acqueo. Quindi dividono questi numeri per il peso molecolare dei rispettivi composti. Per l’anidride carbonica, il numero risultante è uguale al numero di atomi di carbonio, ma devono moltiplicare per due il numero di molecole d’acqua per ottenere il numero di molecole di idrogeno. Trovano i numeri interi più piccoli che conservano la proporzione di C e H, e questi sono f e g nell’equazione: i pedici della formula empirica.
Le formule empiriche non indicano la struttura precisa di una molecola. L’acetilene e il benzene, ad esempio, sono idrocarburi che contengono un numero uguale di atomi di carbonio e di idrogeno, quindi la formula empirica di ciascuno è CH. La formula molecolare dell’acetilene è C2H2, mentre quella del benzene è C6H6. Hanno proprietà molto diverse pur avendo la stessa formula empirica. L’acetilene è un gas altamente esplosivo utilizzato per il taglio e la saldatura; gli anelli benzenici a sei atomi di carbonio sono il componente definitivo delle sostanze aromatiche e sono presenti in molte delle molecole responsabili di sapori e odori.