Empiriska formler beskriver förhållandet mellan varje typ av atom i ett ämne. Ordet ”empirisk” syftar på ursprunget till empiriska formler i observerbara resultat; det vill säga formlerna bestäms genom experiment. Forskare testar sammansättningen av okända föreningar genom att observera deras bildning eller deras interaktioner med kända ämnen. Förhållandet mellan atomer i en förening ger bara en grov uppfattning om dess natur, men det är en grund för vidare undersökning.
Om forskare kan skapa en förening och känna till reagensens sammansättning, eller de ämnen som reagerar, kan de bestämma produktens empiriska formel. De utför reaktionen för att producera produkten utan att lämna några oreagerade insatser. De övervakar också proportionerna av reagenserna som går in i reaktionen. Det är viktigt att de känner till andelen molekyler i reagensen snarare än andelen massa eller volym eftersom dessa mätningar kan variera för olika molekyler. Andelen reagenser talar om för dem hur stor andel atomer som finns i produkten eftersom alla molekyler de lägger in används i reaktionen.
En annan metod för att bestämma empiriska formler är att få en förening att reagera med en annan substans och observera reaktionens produkter. Forskare använder vanligtvis denna metod för att analysera kolväten, ämnen som bara innehåller kol- och väteatomer. De bränner okända kolväten och samlar upp koldioxiden och vattenångan reaktionen ger.
När ett kolväte brinner reagerar det med syre; reaktionen kan representeras som A CfHg + B O2 –> D CO2 + E H2O, där A, B, D och E anger proportionerna av molekylerna i reaktionen och f och g representerar proportionerna av kol och väte i kolvätet . Försöksledarna mäter massan av koldioxid och vattenånga. Sedan dividerar de dessa siffror med molekylvikten för respektive föreningar. För koldioxid är det resulterande antalet detsamma som antalet kolatomer men de måste multiplicera antalet vattenmolekyler med två för att få antalet vätemolekyler. De hittar de minsta heltal som bevarar andelen C och H, och dessa är f och g i ekvationen: den empiriska formelns sänkningar.
Empiriska formler anger inte den exakta strukturen hos en molekyl. Acetylen och bensen, till exempel, är kolväten som innehåller lika många kol- och väteatomer, så den empiriska formeln för var och en är CH. Acetylens molekylformel är C2H2, medan bensen är C6H6. De har väldigt olika egenskaper trots att de har samma empiriska formel. Acetylen är en mycket explosiv gas som används för skärning och svetsning; bensenringar med sex kol är den definitiva komponenten i aromatiska ämnen och finns i många av de molekyler som är ansvariga för smaker och lukter.