miniatura|Fórmula semidesenvolupada de l'alanina. Una fórmula química és una expressió gràfica de la constitució i estructura d'una espècie química. Les fórmules poden ser empíriques, moleculars i estructurals, en funció del grau d'informació que proporcionen.
Les fórmules químiques com a mínim contenen els símbols dels elements químics presents en l'espècia química, xifres en subíndex per a indicar quantes vegades cal considerar-los repetits i ratlles que indiquen els enllaços químics. Per exemple, l'etanol pot representar-se mitjançant la fórmula CH3-CH2-OH, que indica que: està constituït per àtoms d'hidrogen (H), carboni (C) i oxigen (O); que a la molècula hi ha un àtom d'oxigen, dos de carboni i 6 d'hidrogen; i que el carboni de l'esquerra està enllaçat a tres hidrògens i a l'altre carboni, aquest a dos hidrògens i un oxigen, i aquest, també, a un hidrogen.
Subsidiàriament, hom empra uns altres nombrosos signes (punts, parèntesis, superíndexs, lletres gregues, nombres romans...) que hi afegeixen informació o n'escurcen l'escriptura. La convenció fonamental de la notació química és que cada símbol representa un àtom i, per tant, totes les fórmules donen la composició qualitativa i quantitativa de les substàncies, car contenen els símbols dels elements presents (o abreviacions que representen conjunts d'aquests símbols, com ara Ph- per C6H5-), que repeteixen, si cal, o indiquen numèricament llur repetició.
Història miniatura|Diferents símbols emprats per representar el zinc per part dels alquimistes (actualment Zn). Els alquimistes utilitzaven símbols per representar les substàncies que empraven, tant fossin pures com mescles, i també el material emprat en els seus experiments, les operacions realitzades, etc. Tot amb l'objectiu que fos informació secreta difícil d'entendre pels no iniciats. miniatura|Símbols dels elements de John Dalton, i representació dels composts per combinació dels símbols dels elements. El Méthode de Nomenclature Chimique, en català Mètode de Nomenclatura Química, és un llibre publicat el 1787 a París pels químics francesos Louis Bernard Guyton de Morveau (1737-1816), Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), Claude Louis Berthollet (1748-1822) i Antoine François Fourcroy (1755-1809), on s'estableix per primera vegada un mètode sistemàtic per anomenar les substàncies químiques. Al final hi ha dues memòries elaborades no pels autors, sinó per dos joves químics, Jean Henri Hassenfratz (1755-1827) i Pierre Auguste Adet (1763-1832). Aquests s'encarregaren de dissenyar un sistema de símbols que representassin cada element químic i els radicals. L'objectiu era substituir els antics símbols alquímics amb uns nous símbols creats de forma sistemàtica. Lavoisier, Berthollet i Fourcroy no concediren la menor rellevància als nous símbols dissenyats per Hassenfratz i Adet. Així, Lavoisier no els emprà en cap lloc en el seu Tractat Elemental de Química que publicà el 1789. Per contra, Guyton de Morveau els inclogué en les seves lliçons a Dijon entre el 1788 i el 1791, i a les seves classes a l'École Polytechnique de París a partir de 1791. Els nous símbols pràcticament no arribaren a usar-se. Per altra banda, hi havia problemes tipogràfics a l'hora de dur articles o llibres a les impremtes que no estaven preparades per imprimir-los amb tots aquests símbols.
Tanmateix, el sistema dissenyat per Hassenfratz i Adet per simbolitzar els elements químics a partir del nom amb una lletra majúscula i una segona minúscula, si calia per diferenciar dos elements amb la mateixa inicial, aconseguí imposar-se amb els anys. Així l'anglès John Dalton (1766-1840) en el seu A New System of Chemical Philosophy del 1808, simbolitza tots els elements dins d'un cercle, , com els metalls en el Méthode i posa una figura a l'interior o d'una a dues lletres, la primera en majúscula i la segona en minúscula a partir del nom en anglès (C de copper, N de nickel, Z de zinc, B de bismuth, que coincideixen amb els símbols de Hassenfratz i Adet i d'altres com I diron, L de lead o Tu de tungste que no coincideixen). El titani i el cobalt els simbolitza amb tres lletres Tit i Cob, sense necessitat de fer-ho. miniatura|Fórmules d'Archibald Scott Couper del 1858. Poc temps després, el 1813, el suec Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) simplificà més la simbologia del Méthode i de Dalton eliminant els cercles i les figures, i anomenant sempre els elements químics amb una primera lletra en majúscula i una segona en minúscula, si calia, per diferenciar dos elements amb la mateixa inicial del nom en llatí. Els composts els representava per les lletres dels elements als quals s'afegia un número per indicar la proporció en què es combinaven. En els composts més simples, les diferents inicials eren senzillament unides mitjançant el símbol “+”, però en compostos més complexos Berzelius proposà fórmules molt semblants a les actuals: estaven formades per la unió directa de les inicials dels elements i superíndexs numèrics per informar sobre la proporció de cada element. Per exemple simbolitzà el sulfat de coure(II) com CuO + SO3 (actualment CuSO4).
Finalment, a la dècada dels anys trenta del , l'alemany Justus von Liebig (1803-1873) i altres autors començaren a utilitzar, per comoditat tipogràfica, subíndexs en lloc de superíndexs. Per això, en la segona meitat del és força comú trobar ja fórmules similars a les actuals, tot això dins d'una gran diversitat de situacions, introduïdes per les noves fórmules de la química orgànica.
Fórmula empírica La fórmula empírica determina únicament els àtoms que componen la substància i la relació mínima entre ells. Per exemple, per al butan-1,2-diol seria C2H5O. En absència de qualsevol altre criteri d'ordenació (per exemple, si es disposa de poca informació estructural), els símbols dels elements químics s'ordenen per ordre alfabètic, excepte que en els compostos que contenen carboni, C i H solen ser citats primer i segon, respectivament. Per exemple: BrClH3N2NaO2Pt i C10H10ClFe.
Quant a l'ordre alfabèticament, un símbol d'una sola lletra sempre precedeix un símbol de dues lletres amb la mateixa lletra inicial, per exemple, B abans de Be, i els símbols de dues lletres es classifiquen alfabèticament, per exemple, Ba abans de Be. Les fórmules lineals per a diferents espècies es poden ordenar alfanumèricament, per exemple, en índexs i registres, segons l'ordre dels símbols atòmics i els subíndexs a la dreta d'aquests, per exemple, B < BH < BO < B2O3. El grup NH4 sovint es tracta com un símbol únic i es col·loca després de Na, per exemple.
En cristal·lografia la fórmula empírica d'una espècie té variacions per causa de substitucions d'àtoms d'un element per altre o altres elements en proporcions variables. Per exemple, la galena bismutífera, és una varietat de galena PbS que conté fins a un 16 % del seu pes en bismut, amb fórmula (Pb,Bi,Ag)S. En alguns casos es recorre al nombre "apfu", àtoms per fórmula unitària per establir valors d'impureses. Per exemple hi ha mostres de zirconi ZrSiO4 en les quals hom troba que per a quatre àtoms d'oxigen el valor del Zr 0,984 s'hi apropa a 1 apfu, i les impureses calci i itri tenen el nombre d'àtoms per fórmula unitària molt més petit: Ca 0,001 i l'Y 0,002.
Fórmula molecular miniatura|550x550px|Ordre d'electronegativitats de la IUPAC per ús exclusiu en formulació. La fórmula molecular d'un compost químic és una representació gràfica del nombre exacte d'àtoms que formen la molècula. Tanmateix, no dona informació sobre com s'ordenen o distribueixen espacialment aquests àtoms. Per exemple, per al butan-1,2-diol seria C4H10O2.
Els símbols dels elements s'escriuen citant primer l'element menys electronegatiu, per la qual cosa s'empra una taula d'ordre d'electronegativitats on, per convenció, com més tard apareix un element quan es recorre la taula seguint les fletxes, més electropositiu és l'element.
En alguns casos, la fórmula molecular pot coincidir amb l'empírica, en aquest cas l'única diferència possible entre les dues fórmules és l'ordre dels símbols atòmics. Exemples: SF6 (molecular) i F6S (empírica).
Càrrega elèctrica La càrrega elèctrica als ions s'indica mitjançant un índex superior a la dreta en nombre de càrregues elementals amb el signe positiu (+) o negatiu (−), com en Cu2+ o PO43–. Si la fórmula es troba dins de marques d'enclòs, l'índex superior a la dreta es col·loca fora de les marques d'enclòs, per exemple [Fe(CN)6]4–. Per als ions polimèrics, la càrrega d'una sola unitat repetitiva s'ha de col·locar dins dels parèntesis que comprenen l'estructura polimèrica, o bé la càrrega total de l'espècie polimèrica s'ha de situar fora dels parèntesis del polímer, com en aquest exemple: ([CuCl3]–)n o ([CuCl3])nn–.
Composts d'addició En les fórmules dels composts d'addició i dels composts que formalment es poden considerar com a tals, incloent-hi clatrats i sals múltiples, s'utilitza un format especial. Les proporcions dels constituents s'indiquen mitjançant nombres àrabs que precedeixen les fórmules dels constituents, i aquestes es separen amb un punt elevat al mig (·). Per exemple: CuSO4·5H2O i BMe3·NH3.
Nombres d'oxidació miniatura|El tetraòxid de triplom es pot formular com Pb3O4 o, si es volen especificar els nombres d'oxidació del plom, com PbII2PbIVO4. L'estat d'oxidació d'un element en una fórmula es pot indicar amb un número d'oxidació escrit com a superíndex a la dreta en números romans. L'estat d'oxidació zero es pot representar amb el número 0, però generalment no es mostra. Si un element apareix amb més d'un estat d'oxidació en la mateixa fórmula, el símbol de l'element es repeteix, assignant a cada símbol un número, i els símbols se citen en l'ordre d'aquests números. Exemples: PbII2PbIVO4, [Os0(CO)5] i [Mn–I(CO)5]–.
Radicals Un radical és un àtom o una molècula amb un o més electrons desaparellats. Pot tenir càrrega positiva, negativa o zero. Un electró desaparellat pot ser indicat en una fórmula mitjançant un punt gruixut (●) com a superíndex. El punt es col·loca com a índex superior dret al símbol químic, de manera que no interfereixi amb les indicacions de nombre màssic, nombre atòmic o composició. Exemples: HO● i NO2●.
En el cas de diradicals, etc., el punt com a superíndex és precedit pel multiplicador adequat, com ara O22●. El punt radical amb el seu multiplicador, si n'hi ha, precedeix qualsevol càrrega, com a BH3●+. Per evitar confusions, el multiplicador i el punt radical poden ser col·locats dins de parèntesis. Exemples: NO(2●)– i N2(2●)2–.
Els metalls i els seus ions o complexos sovint posseeixen electrons desaparellats, però, per convenció, no es consideren radicals, i els punts radicals no s'utilitzen en les seves fórmules. No obstant això, poden haver-hi ocasions en què un lligand radical estigui unit a un metall o ió metàl·lic en què sigui desitjable utilitzar un punt radical.
Composts òpticament actius El signe de la rotació òptica (+ o –) es col·loca entre parèntesis, i la longitud d'ona (en nm) s'indica com un subíndex a la dreta del parèntesi que tanca. Tot el símbol es col·loca abans de la fórmula i es refereix a la línia D del sodi, llevat que s'indiqui el contrari, separat per un guió. Exemple: (+)589-[Co(en)3]Cl3.
Estats excitats Els estats electrònics excitats es poden indicar amb un asterisc (*) com a superíndex a la dreta. Aquesta pràctica no diferencia entre diferents estats excitats. Exemples són: He* i NO*.
Descriptors estructurals Els descriptors estructurals com cis, trans, etc., s'utilitzen com a prefixes en cursiva i es connecten a la fórmula per un guionet, com a cis-[PtCl2(NH3)2].
Compostos substituïts isotòpicament