Dažādu elementu atomi var savienoties divos galvenajos veidos. Jonu saitē metāls dod vienu vai vairākus elektronus nemetālam, veidojot pretēji lādētus jonus, kurus kopā satur elektriskā pievilcība. Kovalentās saites veidojas ar diviem vai vairākiem nemetāliem, kuriem ir kopīgas elektronas. Jonu savienojumi neveido molekulas kā tādas, bet cietā veidā sastāv no trīsdimensiju kristālu režģiem, kas satur lielu skaitu atomu. Daži kovalentie savienojumi var veidot līdzīgus kristālu tīklus. Formulas vienība ir mazākā attiecība starp dažādu elementu atomiem šāda veida struktūrā, ko var izteikt kā veselus skaitļus.
Joniskie savienojumi
Vienkāršs piemērs ir nātrija hlorīds jeb vārāmā sāls, nātrija un hlora elementu savienojums. Sāls kristāls sastāv no pozitīvi lādētiem nātrija joniem, kas saistīti ar negatīvi lādētiem hlorīda joniem — nemetālu veidotie negatīvie joni beidzas ar “–ide”. Kristāls satur milzīgu skaitu nātrija un hlorīda jonu, bet katram nātrija jonam ir viens hlorīda jons, tāpēc formulas vienība parāda vienu no tiem. Nātrija un hlora ķīmiskie simboli ir attiecīgi Na un Cl, tāpēc formulas vienība ir rakstīta kā NaCl.
Daudzi jonu savienojumi ir nedaudz sarežģītāki, piemēram, alumīnija oksīds. Šeit skābeklis meklē divus elektronus, un alumīnijs vēlas dot trīs. Tāpēc tie var veidot stabilu savienojumu ar formulas vienību Al2O3. Elementa atomu skaits jebkura veida ķīmiskajā formulā tiek parādīts ar indeksu un pa labi no šī elementa simbola. Ja ir tikai viens atoms, parakstītais numurs tiek izlaists.
Kovalentie savienojumi
Lai gan kovalentie savienojumi un vielas bieži veido atsevišķas, autonomas molekulas, tās var veidot arī kristāliskas struktūras. Piemēram, silīcija dioksīds, kas pazīstams arī kā silīcija dioksīds, var veidot kristālus. Tos parasti sauc par kvarcu, un, tāpat kā sāls, tie sastāv no milzīga skaita divu dažādu atomu – šajā gadījumā silīcija un skābekļa -, bet tos satur kovalentās saites. Tā kā skābekļa un silīcija atomu attiecība ir 2:1, kvarca formulas vienība ir SiO2.
Saistītie noteikumi
Ir daži citi saistīti termini, kas var radīt neskaidrības. Empīriskā formula ir vispārīgāks termins, kas apzīmē vienkāršāko elementu attiecību savienojumā neatkarīgi no tā, vai tas ir jonu vai kovalents, kristālisks vai ne. Kristāliskā savienojumā tas ir tāds pats kā formulas vienība, taču šis termins attiecas arī uz autonomām, nekristāliskām kovalentām molekulām. Molekulārā formula ir katra elementa faktiskais atomu skaits autonomā kovalentā molekulā, un tā neattiecas uz jonu savienojumiem, jo tie neveido atsevišķas molekulas.
Jonu savienojumos formulas vienību mēdz izmantot, lai parādītu vienkāršāko atomu attiecību, savukārt nekristāliskos kovalentos savienojumos parastais termins tam ir empīriskā formula. Piemēram, oglekļa-ūdeņraža savienojumi acetilēns un benzols satur tādu pašu oglekļa skaitu kā ūdeņraža atomi, un tāpēc abiem ir empīriskā formula CH. Tomēr acetilēna molekulārā formula ir C2H2, bet benzola molekulārā formula ir C6H6. Tie ir ļoti dažādi savienojumi ar dažādām īpašībām.
Daudzos kovalentos savienojumos empīriskā formula un molekulārā formula ir vienādas. Piemēram, ūdenī tie abi ir H2O. Tomēr tas reti notiek ar organiskiem savienojumiem, kas var būt ļoti sarežģīti. Šajos savienojumos bieži vien ir vairāk nekā viena iespēja vienādai elementu attiecībai, kā tas jau tika atzīmēts ar acetilēnu un benzolu. Dažreiz ir daudz dažādu variāciju.
Daudzos gadījumos pat molekulārā formula neizstāsta visu. Piemēram, glikozei un fruktozei, diviem dažādiem cukura veidiem, ir viena un tā pati molekulārā formula C6H12O6. Ūdeņraža un skābekļa atomi tomēr ir izvietoti nedaudz atšķirīgi, piešķirot abiem savienojumiem nedaudz atšķirīgas īpašības. Glikozes un fruktozes empīriskā formula ir CH2O.
Formulas vienības noteikšana savienojumam
Daudzos gadījumos viss, kas nepieciešams, lai atrastu formulas vienību jonu savienojumam un dažiem vienkāršiem kristāliskiem kovalentiem savienojumiem, ir zināšanas par to, cik daudz atsevišķu saišu elementi spēj izveidot. Metālu gadījumā tas ir elektronu skaits, ko tie var nodrošināt, savukārt nemetālu gadījumā tas ir elektronu skaits, ko tie var pieņemt vai kovalento savienojumu gadījumā dalīties. To sauc par oksidācijas numuru. Parasti tas ir pozitīvs metālos, kas zaudē negatīvi lādētus elektronus, veidojot savienojumus, un negatīvs nemetālos, kas iegūst elektronus, vismaz savienojoties ar metāliem.
Atgriežoties pie alumīnija oksīda piemēra, alumīnija oksidācijas skaitlis ir +3, bet skābekļa oksidācijas skaitlis ir -2. Lai atrastu alumīnija oksīda formulas vienību, šie skaitļi tiek vienkārši apmainīti, lai iegūtu savienojumu ar trīs skābekļa atomiem uz katriem diviem alumīnija: Al2O3. Tāda pati procedūra darbojas daudziem citiem jonu savienojumiem un dažiem vienkāršiem kovalentiem savienojumiem. Tomēr ir sarežģījumi, jo dažiem elementiem atkarībā no apstākļiem var būt vairāk nekā viens oksidācijas numurs. Piemēram, dzelzs var būt +2 vai +3, un daudziem nemetāliem var būt vairāki oksidācijas skaitļi, kas dažos kovalentajos savienojumos var būt pozitīvi.