Une formule chimique présente des informations sur les proportions des atomes constituant un composé ou une molécule chimique en particulier, en utilisant principalement des symboles d'éléments et des nombres. Parfois, d'autres symboles, tels que des tirets, des parenthèses, des crochets, des virgules, des signes plus et moins sont également utilisés. Une formule chimique peut être l'un de ces trois types : moléculaire, empirique et structurelle.

Formule moléculaire

La formule moléculaire représente une molécule ou un composé chimique à l'aide de symboles chimiques (pour indiquer les types d'atomes) et de nombres en indice (pour indiquer le nombre d'atomes de chaque type dans la molécule). Les formules moléculaires sont également utilisées comme abréviations pour les noms des composés.

Certains éléments sont constitués d'atomes individuels distincts, comme les gaz nobles hélium, néon et argon. Ces éléments sont appelés des gaz monoatomiques et ont les formules moléculaires respectives He, Ne et Ar. Peu d'éléments existent en tant que molécules constituées de deux atomes ou plus du même élément liés chimiquement. Par exemple, des éléments tels que l'hydrogène, l'oxygène et l'azote existent sous la forme de molécules diatomiques contenant chacune deux atomes, et elles ont donc les formules moléculaires respectives H₂, O₂ et N₂. De même, des éléments tels que le phosphore et le soufre existent sous la forme de molécules polyatomiques avec les formules moléculaires respectives P₄ et S₈.  

Il est important de noter qu'un indice qui suit un symbole et un nombre devant un symbole ne représente pas la même chose ; par exemple, H₂ et 2H représentent clairement des espèces différentes. H₂ est une formule moléculaire ; elle représente une molécule diatomique d'hydrogène, composée de deux atomes de l'élément qui sont liés chimiquement. L'expression 2H, d'autre part, indique deux atomes d'hydrogène distincts qui ne sont pas combinés ensemble comme une unité. L'expression 2H₂ représente deux molécules d'hydrogène diatomique.

Formule empirique

Les composés se forment lorsque deux éléments ou plus se combinent chimiquement, ce qui entraîne la formation de liaisons. Par exemple, l'hydrogène et l'oxygène peuvent réagir pour former de l'eau, et le sodium et le chlore peuvent réagir pour former du chlorure de sodium, ou du sel de table. Nous décrivons parfois la composition de ces composés avec une formule empirique, qui indique les types d'atomes présents et le rapport le plus simple de nombres entiers d'atomes (ou d'ions) dans le composé. Par exemple, le dioxyde de titane (utilisé comme pigment dans la peinture blanche et dans la crème solaire blanche, épaisse, de type écran total) a une formule empirique TiO₂. Cela identifie les éléments titane (Ti) et oxygène (O) comme étant des constituants du dioxyde de titane et indique la présence de deux fois plus d'atomes de l'élément oxygène que d'atomes de l'élément titane.

Dans de nombreux cas, la formule moléculaire d'une substance est dérivée d'une détermination expérimentale de sa formule empirique et de sa masse moléculaire (somme des masses atomiques pour tous les atomes composant la molécule). Par exemple, on peut déterminer expérimentalement que le benzène contient deux éléments, le carbone (C) et l'hydrogène (H), et que pour chaque atome de carbone du benzène, il y a un atome d'hydrogène. Ainsi, la formule empirique est CH. Une détermination expérimentale de la masse moléculaire révèle qu'une molécule de benzène contient six atomes de carbone et six atomes d'hydrogène, de sorte que la formule moléculaire du benzène est C₆H₆.

Formule structurale

La formule structurale d'un composé donne les mêmes informations que sa formule moléculaire (les types et les nombres d'atomes dans la molécule) mais montre également comment les atomes sont reliés dans la molécule. En d'autres termes, la formule structurale représente graphiquement la structure moléculaire d'un composé. Elle montre la disposition probable des atomes et la façon dont les atomes sont connectés dans l'espace réel tridimensionnel, donnant plus d'informations sur la géométrie moléculaire. Les lignes sont utilisées pour représenter les liaisons présentes entre les atomes. La formule peut également représenter les angles de liaisons approximatifs, ce qui donne une idée de la forme de la molécule.  

Ce texte est adapté de Openstax Chemistry 2e, Section 2.4 : Formules chimiques.