matlab 化学方程式配平

这是一个基于MATLAB整数规划功能的小软件

化学方程式配平目录

1 效果展示
2 程序原理
3 完整代码

1 效果展示

输入反应物、生成物后点击按钮即可配平（注意大小写）：

当前后所含元素不匹配，或者反应物生成物未填写时，会显示物质不会凭空出现或消失这句话。

2 程序原理

配平主要分为以下结果步骤

1 确定元素列表
即确定反应物和生成物一共拥有哪些元素
例如：
反应物：‘Mg(HCO3)2,Ca(OH)2’
生成物：‘CaCO3,H2O,MgCO3’
经过运算得出公有元素:
{‘C’} {‘Ca’} {‘H’} {‘Mg’} {‘O’}

2 反应物及生成物分割
就是将输入的字符串切割成一个个字符串：
例如：
输入：‘Mg(HCO3)2,Ca(OH)2’
输出：{‘Ca(OH)2’} {‘Mg(HCO3)2’}

3 构建各个物质的元素出现次数矩阵
矩阵的第i行第j列即为第i种元素在第j种物质中出现的次数
例如：
输入元素列表：{‘C’} {‘Ca’} {‘H’} {‘Mg’} {‘O’}
输入反应物列表：{‘Ca(OH)2’} {‘Mg(HCO3)2’}

输出次数矩阵

4 整数规划解线性方程组
例如：
反应物次数矩阵：

生成物次数矩阵：

需要求解方程组基础矩阵：

只需令：

由于矩阵不一定为方形，故采用整数规划的方式求解，调用MATLAB中intlinprog函数求解如下方程组：

xi即为所求比例系数

注：
感谢蛋总的快乐生活提醒，matlab可进行等号约束的整数规划，实际求解方程组为：

因此代码中57-60行内容：

A=[timesMat;-timesMat];
b=zeros(size(timesMat,1)*2,1);
lb=ones(size(timesMat,2),1);
[x,~,~]=intlinprog(f,ic,A,b,[],[],lb,[]);

可更改为：

Aeq=timesMat;
beq=zeros(size(timesMat,1),1);
lb=ones(size(timesMat,2),1);
[x,~,~]=intlinprog(f,ic,[],[],Aeq,beq,lb,[]);

3 完整代码

function balanceEquation
%使用实例：
%=========================================
%反应物：Mg(HCO3)2,Ca(OH)2
%生成物：CaCO3,H2O,MgCO3
%配平：Ca(OH)2+Mg(HCO3)2==CaCO3+2H2O+MgCO3global beFig
global reactantLabel reactantEditfield
global productLabel productEditfield
global reactionButton beLabel
global resultEditfieldbeFig=uifigure('units','pixels',...'position',[10 400 400 210],...'Numbertitle','off',...'menubar','none',...'resize','off',...'name','化学方程式配平器',...'color',[1,1,1].*0.98);
reactantLabel=uilabel(beFig,'Text','  反应物','HorizontalAlignment','left',...'BackgroundColor',[0,0.49,0.76],'FontColor',[1 1 1],'FontWeight','bold','Position',[10,170,140+230,30],'FontSize',13);
reactantEditfield=uieditfield(beFig,'Value','','Position',[10+52,170,95+230,30]);
productLabel=uilabel(beFig,'Text','  生成物','HorizontalAlignment','left',...'BackgroundColor',[0,0.49,0.76],'FontColor',[1 1 1],'FontWeight','bold','Position',[10,130,140+230,30],'FontSize',13);
productEditfield=uieditfield(beFig,'Value','','Position',[10+52,130,95+230,30]);reactionButton=uibutton(beFig,'Text','配平方程式','BackgroundColor',[0.31 0.58 0.80],'FontColor',[1 1 1],...'FontWeight','bold','Position',[10,70,95,30],'FontSize',13,'ButtonPushedFcn',@reactionFcn);
beLabel=uilabel(beFig,'Text',' 使用“,”或“;”隔开反应物及生成物，配平结果如下','HorizontalAlignment','left',...'BackgroundColor',[0.95 0.95 0.95],'Position',[110,70,280,30],'FontSize',12.5,'FontColor',[0.35 0.35 0.35],'FontWeight','bold');resultEditfield=uieditfield(beFig,'Value','','Position',[10,10,140+240,50],'Editable','off');%reactionFcn:调用主函数，替换结果展示框信息function reactionFcn(~,~)reactant=reactantEditfield.Value;product=productEditfield.Value;result=mainFcn(reactant,product);resultEditfield.Value=result;end%mainFcn:主函数，将各处理函数结合，并调用MATLAB整数规划功能function result=mainFcn(reactant,product)if ~(isempty(reactant)||isempty(product))elementList=elementDetection([reactant,product]);materialSet_r=materialDection(reactant);materialSet_p=materialDection(product);timesMat_r=getTimesMat(elementList,materialSet_r);timesMat_p=getTimesMat(elementList,materialSet_p);if ~(any(~sum(timesMat_r,2))||any(~sum(timesMat_p,2)))timesMat=[timesMat_r,-timesMat_p];f=ones(1,size(timesMat,2));ic=1:size(timesMat,2);A=[timesMat;-timesMat];b=zeros(size(timesMat,1)*2,1);lb=ones(size(timesMat,2),1);[x,~,~]=intlinprog(f,ic,A,b,[],[],lb,[]);result='';for ir=1:length(materialSet_r)if round(x(ir))~=1result=[result,num2str(x(ir))];endresult=[result,materialSet_r{ir},'+'];endresult(end)=[];result=[result,'=='];for ip=1:length(materialSet_p)if round(x(ip+length(materialSet_r)))~=1result=[result,num2str(x(ip+length(materialSet_r)))];endresult=[result,materialSet_p{ip},'+'];endresult(end)=[];elseresult='物质不会凭空出现或消失';endelseresult='物质不会凭空出现或消失';endend%getTimesMat:主函数，获取各种物质的各种元素出现次数function timesMat=getTimesMat(elementList,materialSet)timesMat=zeros(length(elementList),length(materialSet));for i=1:length(elementList)for j=1:length(materialSet)timesMat(i,j)=elementOccurrence(materialSet{j},elementList{i});endendend%elementOccurrence：计算反应物生成物总共含有哪些元素function times=elementOccurrence(string,element)elementPos=regexp(string,element);elementPos=elementPos+length(element)-1;lowerPos=string~=upper(string);for i=length(elementPos):-1:1if elementPos(i)~=length(string)&&lowerPos(elementPos(i)+1)elementPos(i)=[];endendnumberPos=string<=57&string>=48;earSet_L=string=='('|string=='（';earSet_R=string==')'|string=='）';earSet_LL=string=='['|string=='[';earSet_RR=string==']'|string==']';times=0;for i=elementPostimesLayer1=1;timesLayer2=1;timesLayer3=1;if (i~=length(string))&&numberPos(i+1)notNumberPos=find([~numberPos,1]);notNumberPos=notNumberPos(notNumberPos>i);notNumberPos=notNumberPos(1);timesLayer1=str2num(string(i+1:notNumberPos-1));end earLPos=find(earSet_L);earRPos=find(earSet_R);earLPos(earLPos>i)=[];earRPos(earRPos<i)=[];if (~isempty(earLPos))&&(~isempty(earRPos))&&(~isempty(earLPos(end)))&&(~isempty(earRPos(1)))j=earRPos(1);if (j~=length(string))&&numberPos(j+1)notNumberPos=find([~numberPos,1]);notNumberPos=notNumberPos(notNumberPos>j);notNumberPos=notNumberPos(1);timesLayer2=str2num(string(j+1:notNumberPos-1));endendearLLPos=find(earSet_LL);earRRPos=find(earSet_RR);earLLPos(earLLPos>i)=[];earRRPos(earRRPos<i)=[];if (~isempty(earLLPos))&&(~isempty(earRRPos))&&(~isempty(earLLPos(end)))&&(~isempty(earRRPos(1)))k=earRRPos(1);if (k~=length(string))&&numberPos(k+1)notNumberPos=find([~numberPos,1]);notNumberPos=notNumberPos(notNumberPos>k);notNumberPos=notNumberPos(1);timesLayer3=str2num(string(k+1:notNumberPos-1));endendtempNum=timesLayer1*timesLayer2*timesLayer3;times=times+tempNum;end end%materialDection：将反应物或生成物分割function materialSet=materialDection(string)strtrim(string);sep=string==' '|string==','|string==';'|string=='·'|string=='、'|string=='，'|string=='；';deletePos=[0 diff(sep)]==0&sep;string(deletePos)=[];sep(deletePos)=[];materialSet(sum(sep)+1)={[]};sepPos=[-1,find(sep)-1,length(string)];for i=2:length(sepPos)tempStr=string(sepPos(i-1)+2:sepPos(i));tempIndex=find(~(tempStr<=57&tempStr>=48));tempIndex=tempIndex(1);tempStr(1:tempIndex-1)=[];materialSet(i-1)={tempStr};end materialSet=unique(materialSet);endfunction elementSet=elementDetection(string)CHAR.upper=string~=lower(string);CHAR.notLetter=string==lower(string)&string==upper(string);elementSet(sum(CHAR.upper))={[]};for i=find(CHAR.upper)endingIndexs=find([CHAR.notLetter|CHAR.upper,1]);endingIndexs=endingIndexs(endingIndexs>i);endingIndexs=endingIndexs(1);elementStr=string(i:endingIndexs-1);elementSet(sum(CHAR.upper(1:i)))={elementStr};end elementSet=unique(elementSet);endend