使用Python计算化学式的相对分子质量

受到邀请来帮同学计算其所采用的化学式的相对分子质量.本文详细介绍了如何识别化学式内元素,并对其化学式相对分子质量进行计算的过程.

输入化学式

在输入化学式的时候,需要将化学式中每个元素的个数进行表明.一个元素可以出现多次,但是每出现一次都要进行数量标记.例如C₂H₅OH要写为C₂H₅O₁H₁,方便我们之后对化学式进行元素与数字的划分.输入数据应为string型,以便算法对其进行处理.

// 输入化学式
a="C2H5O1H1";
b="Ca1(O1H1)2";

构建元素原子质量列表

如果我们需要计算相对分子质量的化学式用到的元素不是太多，我们可以仅对使用的元素原子质量列表进行搭建。首先建立元素名称列表和元素质量列表,然后再将其进行匹配。我们要注意的就是将元素名称与质量进行对应就可以了。因为我们采用len(name)来表示元素的个数，所以我们无论插入多少个均能实现完美匹配。

// 构建元素原子质量列表
name=["H","C","O","Ca"]
quality=["1","12","16","32"]
D=[]
for e in range(len(name)):D+=[[name[e],quality[e]]]

计算化学式的相对分子质量

为了区分原子,我采用在元素前面添加加号的方式将不同的原子分隔开，即在大写字母之前添加+。并在原子与原子个数之间加入乘号。

// 调整化学式格式
for e in range(65,65+26):e=chr(e)a=a.replace(e,"+"+e)
for e in range(10):a=a.replace(str(e),"*"+str(e))

但是如果原子个数超过个位数，就会导致算法在原子个数中间也添加了乘号。例如H₁₀，经过上一步处理之后会得到 H ∗ 1 ∗ 0 H*1*0 H∗1∗0的结果，而不是我们想要的 H ∗ 10 H*10 H∗10。我用以下语句对其进行改进。

// 调整元素个数计算格式
for e in range(10):a=a.replace("*"+str(e)+"*","*"+str(e))

当化学式中存在有括号的情况时，我们还需将括号与加号进行位置调换。

// 调整括号位置
a=a.replace("(+","+(")

接下来将元素所代表的原子质量代替到我们的计算式中。由于元素是由一个或者两个字母构成的，我们需要先将两个字母的元素进行数值替换。再对一个字母的元素进行数值替换。

// 调整括号位置
for e in D:if len(e[0])==2:a=a.replace(e[0],e[1])
for e in D:a=a.replace(e[0],e[1])

经过上面的几个步骤的处理，可以将化学式C₂H₅OH转变为 12 ∗ 2 + 1 ∗ 5 + 16 ∗ 1 + 1 ∗ 1 12*2+1*5+16*1+1*1 12∗2+1∗5+16∗1+1∗1，化学式Ca(OH)₂转变为 32 ∗ 1 + ( 16 ∗ 1 + 1 ∗ 1 ) ∗ 2 32*1+(16*1+1*1)*2 32∗1+(16∗1+1∗1)∗2。然后再对其进行运算，得到相应化学式的相对分子质量。

// 计算相对分子质量
a=eval(a)
print(a)