Змеиная наука: Химия в Python, часть 1

Привет, Хабр! Аргентум на связи, сегодня мы будем решать химические задачи, проводить исследования по химии с нуля на языке программирования Python. Это первая, моя дебютная статья из серии "Змеиная наука", где мы будем создавать программное обеспечение для научных вычислений.

Почему именно Python? В рейтинге GitHub'а он занял 2-е место, уступив место JavaScript, а количество курсов "Стань программистом за 2 месяца и получай $300к в наносекунду" просто зашкаливает. Из-за этого, кстати, на одну ваканзию Junior Python разработчика может прилететь до 1000, а может и больше, заявок. Но он, довольно легко изучается, по сравнению с многими другими языками.

Химия, как наука, всегда требовала точности, глубокого анализа и системного подхода. С развитием вычислительных технологий открылись новые перспективы для химиков: возможность использовать программирование для моделирования, анализа данных и ускорения процессов исследований. В этой статье мы погрузимся в мир химии, представленный через призму Python - мощного языка программирования, который стал надежным инструментом для химиков в их исследованиях. Мы рассмотрим ключевые библиотеки (а может даже обойдемся без них), инструменты и подходы, позволяющие применять Python для анализа химических данных, создания моделей молекулярной структуры и многого другого. Давайте вместе исследуем, как Python становится неотъемлемой частью химических исследований, расширяя горизонты возможностей в этой захватывающей научной области.

Краткое введение

Для работы, нам желательно создать рабочее окружение. Вы можете использовать GitHub и Git, но здесь я приведу примеры без системы контроля версий.

Ниже я привел код для создания и активации виртуального окружения Python. Почему мы не устанавливаем библиотеку в систему, и не создавать эти ваши окружения? Потому что это плохая практика, и сам pip не даст вам этого (PEP 668). Ну, как не даст, даст, но с флагом --break-system-packages

# Способ для Linux-систем
python3 -m venv venv         # создаем виртуальное окружение
source venv/bin/activate     # активируем его
pip3 install --upgrade pip   # обновляем pip

Теория

Вспомним школьную программу. А вы помните её?

1. Что такое относительная атомная масса и молекулярная масса:

• Относительная атомная масса (также известная как атомная массовая единица, amu) - это масса атома в единицах массы атома углерода-12. Она используется для измерения массы атомов и молекул.

• Относительная молекулярная масса - это сумма относительных атомных масс атомов в молекуле. Она позволяет определить массу молекулы в отношении массы атома углерода-12.

2. Число Авогадро:

• Число Авогадро равно приближенно 6.02214076 x 10^23 и представляет собой количество атомов или молекул в одном моле вещества. Это основная константа, используемая для связи массы атомов и молекул с массой вещества в молях.

3. Моли:

• Моль - это единица измерения количества вещества. Один моль вещества содержит число Авогадро частиц (около 6.022 x 10^23) атомов, молекул или других элементарных частиц.

4. Металлы и неметаллы:

• Металлы - это элементы, обладающие характерными свойствами, такими как отличная теплопроводность, проводимость электричества, металлический блеск и гибкость. Примеры металлов включают железо, медь и алюминий.

• Неметаллы - это элементы, обладающие характеристиками, противоположными металлам. Неметаллы обычно плохо проводят тепло и электричество и могут быть хрупкими. Примеры неметаллов включают кислород, азот и серу.

5. Электроны, нейтроны и протоны:

• Электроны - это элементарные частицы, обладающие отрицательным электрическим зарядом. Они находятся в орбиталях вокруг ядра атома.

• Протоны - это элементарные частицы, обладающие положительным электрическим зарядом, и они находятся в ядре атома.

• Нейтроны - это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда, и они также находятся в ядре атома.

6. Заряд ядра и энергетические уровни:

• Заряд ядра - это сумма зарядов протонов в атомном ядре, который определяет химические свойства элемента.

• Энергетические уровни - это уровни энергии, на которых находятся электроны в атоме. Электроны находятся на определенных энергетических уровнях и могут переходить между ними, поглощая или испуская энергию в форме света (спектральных линий).

Практика

Весь код будет в моем репозитории на GitHub. Там будет модифицированный код, здесь я приведу базовые функции

1. Относительная молекулярная масса элемента

   Исходный код нашего калькулятора:

import re
from collections import Counter


class Element:
    def __init__(self, short_name: str, electronic_conf_of_outer_layer: str,
                name: str, atomic_number: int, relative_atomic_mass: float,
                group: str, period: int, row: int, group_num: int,
                side_group: bool, is_metal: bool):
        self.short_name = short_name
        self.electronic_conf_of_outer_layer = electronic_conf_of_outer_layer
        self.name = name
        self.atomic_number = atomic_number
        self.relative_atomic_mass = relative_atomic_mass
        self.group = group
        self.side_group = side_group
        self.is_metal = is_metal
        self.period = period
        self.row = row
        self.group_num = group_num


ELEMENTS = {
    # Символ ЭлКонф Название АтомноеЧисло ОтносАтомМасса группа период ряд
    # номерГруппы ЭтопобочнаяГруппа ЭтоМетал
    'H': Element('H', '1s^1', 'Водород', 1, 1.00794, 'A', 1, 1, 1, False, False),
    'He': Element('He', '1s^2', 'Гелий', 2, 4.002602, 'A', 8, 1, 1, False, False),
    'Li': Element('Li', '2s^1', 'Литий', 3, 6.941, 'A', 1, 2, 2, False, True),
    'Be': Element('Be', '2s^2', 'Бериллий', 4, 9.01218, 'A', 2, 2, 2, False, True),
    'B': Element('B', '2s^2 2p^1', 'Бор', 5, 10.811, 'A', 3, 2, 2, False, False),
    'C': Element('C', '2s^2 2p^2', 'Углерод', 6, 12.011, 'A', 4, 2, 2, False, False),
    'N': Element('N', '2s^2 2p^3', 'Азот', 7, 14.0067, 'A', 5, 2, 2, False, False),
    'O': Element('O', '2s^2 2p^4', 'Кислород', 8, 15.9994, 'A', 6, 2, 2, False, False),
    'F': Element('F', '2s^2 2p^5', 'Фтор', 9, 18.998403, 'A', 7, 2, 2, False, False),
    'Ne': Element('Ne', '2s^2 2p^6', 'Неон', 10, 20.179, 'A', 8, 2, 2, False, False),
    'Na': Element('Na', '3s^1', 'Натрий', 11, 22.98977, 'A', 1, 3, 3, False, True),
    # добавляйте другие элементы по надобности
}


def repl(m):
    return m[1] * int(m[2] if m[2] else 1)


def parse_molecule(formula: str) -> dict:
    while '(' in formula:
        formula = re.sub(r'\((\w*)\)(\d*)', repl, formula)
    while '[' in formula:
        formula = re.sub(r'\[(\w*)\](\d*)', repl, formula)
    formula = re.sub(r'([A-Z][a-z]?)(\d*)', repl, formula)
    formula_dict = Counter(re.findall('[A-Z][a-z]*', formula))

    return formula_dict


def get_element_mass(element):
    return ELEMENTS[element].relative_atomic_mass


def calculate_relative_molecular_mass(formula):
    result = parse_molecule(formula)
    mass = 0

    for i in result.items():
        print(f'{i[1]} {ELEMENTS[i[0]].name} = {ELEMENTS[i[0]].relative_atomic_mass * i[1]}')
        mass += get_element_mass(i[0]) * i[1]

    return mass


def main():
    formula = input('Введите формулу: ')
    mass = calculate_relative_molecular_mass(formula)
    if mass is not None:
        print(f'Относительная молекулярная масса формулы {formula} = ~{mass}')
    else:
        print(f'Ошибка парсинга формулы {formula}')


if __name__ == "__main__":
    main()

В следующей статье мы затронем вычисления молярной массы, количества молекул, и количество вещества.

Всем удачи, всем пока, с вами был Доктор Аргентум