Empiiriset kaavat kuvaavat kunkin atomityypin suhdetta aineessa. Sana “empiirinen” viittaa empiiristen kaavojen alkuperään havaittavissa tuloksissa; eli kaavat määritetään kokeilemalla. Tutkijat testaavat tuntemattomien yhdisteiden koostumusta tarkkailemalla niiden muodostumista tai vuorovaikutusta tunnettujen aineiden kanssa. Yhdisteen atomien suhde antaa vain karkean käsityksen sen luonteesta, mutta se on perusta lisätutkimuksille.
Jos tutkijat voivat luoda yhdisteen ja tietää reagenssien koostumuksen tai reagoivat aineet, he voivat määrittää tuotteen empiirisen kaavan. He suorittavat reaktion tuotteen tuottamiseksi jättämättä reagoimattomia panoksia. He myös tarkkailevat reaktioon tulevien reagenssien osuuksia. On tärkeää, että he tietävät reagenssien molekyylien osuuden pikemminkin kuin massan tai tilavuuden osuuden, koska nämä mittaukset voivat vaihdella eri molekyylien osalta. Reagenssien osuus kertoo heille atomien osuuden tuotteessa, koska kaikkia niiden asettamia molekyylejä käytetään reaktiossa.
Toinen menetelmä empiiristen kaavojen määrittämiseksi on saada yhdiste reagoimaan toisen aineen kanssa ja tarkkailla reaktiotuotteita. Tutkijat käyttävät tätä menetelmää yleisesti hiilivetyjen analysointiin, jotka sisältävät vain hiili- ja vetyatomeja. Ne polttavat tuntemattomia hiilivetyjä ja keräävät reaktion tuottaman hiilidioksidin ja vesihöyryn.
Kun hiilivety palaa, se reagoi hapen kanssa; reaktio voidaan esittää muodossa A CfHg + B O2 -> D CO2 + E H2O, missä A, B, D ja E osoittavat molekyylien osuudet reaktiossa ja f ja g edustavat hiilen ja vedyn osuuksia hiilivedyssä . Kokeilijat mittaavat hiilidioksidin ja vesihöyryn massaa. Sitten he jakavat nämä luvut vastaavien yhdisteiden molekyylipainolla. Hiilidioksidin osalta tuloksena oleva luku on sama kuin hiiliatomien lukumäärä, mutta niiden on kerrottava vesimolekyylien lukumäärä kahdella, jotta saadaan vetymolekyylien lukumäärä. He löytävät pienimmät kokonaisluvut, jotka säilyttävät osuuden C ja H, ja nämä ovat f ja g yhtälössä: empiirisen kaavan alaindeksit.
Empiiriset kaavat eivät ilmaise molekyylin tarkkaa rakennetta. Esimerkiksi asetyleeni ja bentseeni ovat hiilivetyjä, jotka sisältävät yhtä monta hiili- ja vetyatomia, joten empiirinen kaava on CH. Asetyleenin molekyylikaava on C2H2, kun taas bentseenin on C6H6. Niillä on valtavasti erilaisia ominaisuuksia, vaikka niillä on sama empiirinen kaava. Asetyleeni on erittäin räjähtävä kaasu, jota käytetään leikkaamiseen ja hitsaamiseen; kuuden hiilen bentseenirenkaat ovat aromaattisten aineiden lopullinen komponentti ja niitä esiintyy monissa makuista ja hajuista vastuussa olevissa molekyyleissä.