Las fórmulas empíricas describen la proporción de cada tipo de átomo en una sustancia. La palabra «empírico» se refiere a los orígenes de fórmulas empíricas en resultados observables; es decir, las fórmulas se determinan mediante experimentos. Los científicos prueban la composición de compuestos desconocidos observando su formación o sus interacciones con sustancias conocidas. La proporción de átomos en un compuesto da solo una idea aproximada de su naturaleza, pero es una base para una mayor investigación.
Si los científicos pueden crear un compuesto y conocer la composición de los reactivos o las sustancias que reaccionan, pueden determinar la fórmula empírica del producto. Realizan la reacción para producir el producto sin dejar insumos sin reaccionar. También controlan las proporciones de los reactivos que entran en la reacción. Es importante que conozcan la proporción de moléculas de los reactivos en lugar de la proporción de masa o volumen porque estas medidas pueden variar para diferentes moléculas. La proporción de reactivos les dice la proporción de átomos en el producto, ya que todas las moléculas que introducen se utilizan en la reacción.
Otro método para determinar fórmulas empíricas es hacer que un compuesto reaccione con otra sustancia y observar los productos de la reacción. Los científicos suelen utilizar este método para analizar hidrocarburos, sustancias que solo contienen átomos de carbono e hidrógeno. Queman hidrocarburos desconocidos y recogen el dióxido de carbono y el vapor de agua que produce la reacción.
Cuando un hidrocarburo se quema, reacciona con el oxígeno; la reacción se puede representar como A CfHg + B O2 -> D CO2 + E H2O, donde A, B, D y E indican las proporciones de las moléculas en la reacción y fyg representan las proporciones de carbono e hidrógeno en el hidrocarburo . Los experimentadores miden la masa de dióxido de carbono y vapor de agua. Luego dividen estos números por el peso molecular de los respectivos compuestos. Para el dióxido de carbono, el número resultante es el mismo que el número de átomos de carbono, pero deben multiplicar el número de moléculas de agua por dos para obtener el número de moléculas de hidrógeno. Encuentran los números enteros más pequeños que conservan la proporción de C y H, y estos son f y g en la ecuación: los subíndices de la fórmula empírica.
Las fórmulas empíricas no indican la estructura precisa de una molécula. El acetileno y el benceno, por ejemplo, son hidrocarburos que contienen el mismo número de átomos de carbono e hidrógeno, por lo que la fórmula empírica de cada uno es CH. La fórmula molecular del acetileno es C2H2, mientras que la del benceno es C6H6. Tienen propiedades muy diferentes a pesar de tener la misma fórmula empírica. El acetileno es un gas altamente explosivo que se utiliza para cortar y soldar; Los anillos de benceno de seis carbonos son el componente definitivo de las sustancias aromáticas y están presentes en muchas de las moléculas responsables de los sabores y olores.