Ora 38 - Calculator molecular (Proiect)

TEORIE - 45 minute

Obiectivele proiectului

Vei construi un calculator molecular complet care parsează automat formule chimice și calculează masa moleculară.

Parsare automată a formulei chimice

Tabel cu 15+ elemente chimice

Testare: H₂O, CO₂, C₆H₁₂O₆

Compoziție procentuală

Lucru în perechi

Dicționar: Chimie proiect ↔ C++

Concept chimic	Cum se citește	În C++	Observație
Parsare formulă	„citire caracter cu caracter"	`formula[i]`	acces indexat la string
Vectori paraleli	„simboluri[] și mase[]"	`string s[N]; int m[N];`	aceeași poziție = același element
Simbol chimic (1-2 litere)	„ex: Na = sodiu"	`string simbol="";`	prima MARE + eventual mică
M = Σ(cantitate × masă)	„suma produselor"	`total += nr * masaElem;`	acumulare în while
Compoziție procentuală	„procent fiecare element"	`(double)(nrm)/total100`	cast la `double`!
Cifră multipla (ex: H₁₂)	„numărul 12, nu 1 și 2"	`nr = nr*10 + (c-'0');`	construire Horner
'A'...'Z' / 'a'...'z'	„majusculă / minusculă"	`c >= 'A' && c <= 'Z'`	comparatii ASCII
Element necunoscut	„nu e în baza de date"	`return -1;`	valoare santinelă

Analogie: Cum citim o formulă chimică?

Rețeta de bucătărie

O formulă chimică e ca o rețetă: H₂O = „2 părți Hidrogen + 1 parte Oxigen". La fel cum calculăm costul rețetei (2×preț_ou + 1×preț_făină), calculăm masa moleculară: 2×masă_H + 1×masă_O = 2×1 + 16 = 18 u.

Masa moleculară (M): suma maselor atomice × cantitate pentru fiecare element din formulă
Exemplu: H₂SO₄ → 2×1 + 32 + 4×16 = 2 + 32 + 64 = 98 u

M = Σ (cantitate_i × masă_atomică_i)

total += nr * masaElem;

Se citește: „total egal total plus nr ori masa elementului"

Tabelul elementelor în program

Simbol	Element	Masă atomică (u)	Prezent în...
H	Hidrogen	1	H₂O, H₂SO₄, NH₃
C	Carbon	12	CO₂, C₆H₁₂O₆, CH₄
N	Azot	14	NH₃, HNO₃
O	Oxigen	16	H₂O, CO₂, CaCO₃
Na	Sodiu	23	NaCl, NaOH
Mg	Magneziu	24	MgO, MgCl₂
Al	Aluminiu	27	Al₂O₃
P	Fosfor	31	H₃PO₄
S	Sulf	32	H₂SO₄, SO₂
Cl	Clor	35	NaCl, HCl
K	Potasiu	39	KOH, KCl
Ca	Calciu	40	CaCO₃, CaO
Fe	Fier	56	Fe₂O₃, FeSO₄
Cu	Cupru	64	CuSO₄, CuO
Zn	Zinc	65	ZnO, ZnCl₂

Simboluri cu 2 litere: Na, Mg, Al, Cl, Ca, Fe, Cu, Zn — prima literă e MARE, a doua e mică. Parsarea trebuie să distingă: „Ca" = Calciu, nu „C" + „a"!

Plan de lucru (3 faze)

Faza 1: Baza de date cu elemente (20 min)

Creează vectori paraleli pentru simboluri și mase atomice. Scrie funcția gasesteMasa(simbol) care returnează masa sau -1 dacă elementul e necunoscut.

Faza 2: Parsarea formulei (40 min)

Parcurge string-ul caracter cu caracter: literă mare = element nou, literă mică = continuare simbol, cifre = cantitate, fără cifră → cantitate 1.

Faza 3: Testare și meniu (30 min)

Testează cu formule cunoscute (H₂O=18, CO₂=44, glucoză=180), adaugă meniu interactiv, tratează erori.

Pseudocod: Algoritmul de parsare

FUNCTION calculeazaMasa(formula) total ← 0 i ← 0 // index curent în string WHILE i < lungime(formula) // Pas 1: citim simbolul (literă mare + eventuale litere mici) simbol ← "" IF formula[i] e LITERĂ MARE simbol ← simbol + formula[i] i ← i + 1 WHILE formula[i] e literă mică simbol ← simbol + formula[i] i ← i + 1 END WHILE END IF // Pas 2: citim cantitatea (cifre consecutive) nr ← 0 WHILE formula[i] e CIFRĂ nr ← nr × 10 + (formula[i] - '0') // Horner i ← i + 1 END WHILE IF nr = 0 THEN nr ← 1 // fără cifră = cantitate 1 // Pas 3: căutăm masa și adăugăm la total masaElem ← gasesteMasa(simbol) total ← total + nr × masaElem END WHILE RETURN total END FUNCTION

Codul complet al proiectului

Calculator molecular complet cu parsare string

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// Baza de date cu elemente
const int NR_ELEM = 15;
string simboluri[NR_ELEM] = {"H","C","N","O","S","Na","Cl","Ca","Fe","P",
                             "Mg","K","Zn","Cu","Al"};
int mase[NR_ELEM] = {1, 12, 14, 16, 32, 23, 35, 40, 56, 31,
                     24, 39, 65, 64, 27};

// Functie: gaseste masa atomica dupa simbol
int gasesteMasa(string simbol) {
    for (int i = 0; i < NR_ELEM; i++)
        if (simboluri[i] == simbol)
            return mase[i];
    return -1; // element necunoscut
}

// Functie: calculeaza masa moleculara
int calculeazaMasa(string formula) {
    int total = 0;
    int i = 0, n = formula.length();
    
    while (i < n) {
        // Pas 1: citeste simbolul (litera mare + eventuale litere mici)
        string simbol = "";
        if (formula[i] >= 'A' && formula[i] <= 'Z') {
            simbol += formula[i]; i++;
            while (i < n && formula[i] >= 'a' && formula[i] <= 'z') {
                simbol += formula[i]; i++;
            }
        }
        
        // Pas 2: citeste numarul (daca exista)
        int nr = 0;
        while (i < n && formula[i] >= '0' && formula[i] <= '9') {
            nr = nr * 10 + (formula[i] - '0'); i++;
        }
        if (nr == 0) nr = 1;
        
        // Pas 3: cautam elementul si adaugam la total
        int masaElem = gasesteMasa(simbol);
        if (masaElem == -1) {
            cout << "Element necunoscut: " << simbol << endl;
            return -1;
        }
        total += nr * masaElem;
    }
    return total;
}

int main() {
    string formula;
    int optiune;
    
    do {
        cout << "\n=== CALCULATOR MOLECULAR ===" << endl;
        cout << "1. Calculeaza masa moleculara" << endl;
        cout << "2. Testeaza formule cunoscute" << endl;
        cout << "3. Afiseaza elementele disponibile" << endl;
        cout << "4. Compozitie procentuala" << endl;
        cout << "0. Iesire" << endl;
        cout << "Alege: "; cin >> optiune;
        
        if (optiune == 1) {
            cout << "Formula chimica: "; cin >> formula;
            int masa = calculeazaMasa(formula);
            if (masa != -1)
                cout << formula << " = " << masa << " u" << endl;
        }
        else if (optiune == 2) {
            string teste[] = {"H2O","CO2","NH3","C6H12O6","H2SO4","NaCl","CaCO3","Fe2O3"};
            int asteptate[] = {18, 44, 17, 180, 98, 58, 100, 160};
            int nrTeste = 8;
            cout << "\n--- Teste automate ---" << endl;
            int corecte = 0;
            for (int i = 0; i < nrTeste; i++) {
                int rez = calculeazaMasa(teste[i]);
                bool ok = (rez == asteptate[i]);
                cout << teste[i] << ": " << rez 
                     << " (asteptat " << asteptate[i] << ") "
                     << (ok ? "OK" : "EROARE!") << endl;
                if (ok) corecte++;
            }
            cout << corecte << "/" << nrTeste << " teste corecte." << endl;
        }
        else if (optiune == 3) {
            cout << "\nElemente disponibile:" << endl;
            for (int i = 0; i < NR_ELEM; i++)
                cout << simboluri[i] << " = " << mase[i] << " u\t";
            cout << endl;
        }
        else if (optiune == 4) {
            cout << "Formula: "; cin >> formula;
            int total = calculeazaMasa(formula);
            if(total > 0)
                cout << "Masa totala: " << total << " u" << endl;
        }
    } while (optiune != 0);
    
    return 0;
}

Cum funcționează parsarea?

Trace pas cu pas: "C6H12O6" (Glucoză)

Iterație	i	Simbol	Număr	Masă elem	Subtotal	Total	C++ echivalent
1	0→2	C	6	12	72	72	`total += 6 * 12;`
2	2→5	H	12	1	12	84	`total += 12 * 1;`
3	5→7	O	6	16	96	180	`total += 6 * 16;`

Trace: "NaCl" (simbol cu 2 litere)

Iterație	i	Simbol	Număr	Masă	Total	C++ echivalent
1	0→2	Na (N+a)	1 (lipsește cifra)	23	23	`simbol="Na"; nr=1;`
2	2→4	Cl (C+l)	1	35	58	`simbol="Cl"; nr=1;`

Observă: 'a' după 'N' e literă mică → face parte din simbol. 'l' după 'C' e literă mică → face parte din simbol.

Regula: Literă mare = element nou, literă mică = continuare simbol, cifre = cantitate

if (formula[i] >= 'A' && formula[i] <= 'Z') { simbol += formula[i]; i++; }

Se citește: „dacă caracterul e literă mare, începe un simbol nou"

Construire număr din cifre (Horner): nr = nr × 10 + cifra_curentă

nr = nr * 10 + (formula[i] - '0');

Se citește: „nr egal nr ori 10 plus cifra curentă" — exemplu: '1','2' → 0→1→12

Greșeală frecventă: Dacă nu verifici litera mică, "NaCl" se citește ca N-a-C-l = N(14) + eroare('a') + C(12) + eroare('l'). Trebuie: Na(23) + Cl(35) = 58.

Cifre mari: H₁₂ are cifra 12, nu 1 și apoi 2. Bucla nr = nr*10 + (formula[i]-'0') construiește numărul: nr=0→1→12.

Compoziție procentuală

Compoziția procentuală arată cât la sută din masa totală contribuie fiecare element. Formula: procent = (cantitate × masă_atom / masă_totală) × 100.

procent = (cantitate × masă_atom / masă_totală) × 100

double proc = (double)(nr * m) / total * 100;

Se citește: „procent egal cantitate ori masa atomică împărțit la total, ori 100" — atenție la cast (double)!

Exemplu: H₂O (M = 18 u)

H: 2×1/18 × 100 = 11.11% | O: 1×16/18 × 100 = 88.89% | Total = 100%

Trace parsare completă: "H2SO4"

Pas	i	Caracter	Simbol	Nr	masaElem	Subtotal	total
1	0	'H' (mare)	"H"	—	—	—	0
2	1	'2' (cifră)	"H"	2	1	2	2
3	2	'S' (mare)	"S"	—	—	—	2
4	3	'O' (mare, nu cifră)	"S"	1 (default)	32	32	34
5	3	'O' (mare)	"O"	—	—	—	34
6	4	'4' (cifră)	"O"	4	16	64	98

Funcție: compoziție procentuală

void compozitie(string formula) {
    int total = calculeazaMasa(formula);
    if(total <= 0) return;
    
    // Re-parsam formula si afisam procentul fiecarui element
    int i = 0, n = formula.length();
    cout << "Compozitia lui " << formula << " (M=" << total << " u):" << endl;
    while(i < n) {
        string simbol = "";
        simbol += formula[i]; i++;
        while(i < n && formula[i] >= 'a' && formula[i] <= 'z') {
            simbol += formula[i]; i++;
        }
        int nr = 0;
        while(i < n && formula[i] >= '0' && formula[i] <= '9') {
            nr = nr*10 + (formula[i]-'0'); i++;
        }
        if(nr == 0) nr = 1;
        int m = gasesteMasa(simbol);
        double proc = (double)(nr * m) / total * 100;
        cout << simbol << ": " << nr << " x " << m 
             << " = " << nr*m << " u (" << proc << "%)" << endl;
    }
}

Extensie: proiectarea tabelului de elemente

Când lista de elemente crește, multe if-uri devin greu de întreținut. O soluție mai bună este un tabel de perechi simbol-masă, căutat cu o funcție.

struct Element {
    string simbol;
    double masa;
};

Element tabel[] = {{"H", 1}, {"C", 12}, {"O", 16}, {"Na", 23}, {"Cl", 35.5}};

Avantajul este că adăugarea unui element nou înseamnă o singură linie în tabel, nu modificări în toată logica programului.

Pași pentru o căutare robustă

Citește simbolul ca string, nu ca char.
Caută simbolul în tabel.
Dacă nu există, returnează -1 și afișează mesaj de eroare.

Întrebări frecvente (FAQ)

De ce folosim vectori paraleli și nu o structură?

Vectorii paraleli sunt mai simpli la acest nivel. Într-un program mai avansat, am folosi struct Element { string simbol; int masa; }; — dar conceptul de struct nu a fost încă predat.

Ce facem cu elemente cu simbol de 2+ litere ca Fe?

Parsarea noastră le gestionează automat: 'F' e literă mare = start simbol, 'e' e literă mică = continuare. Deci simbol="Fe". La fel: Na, Mg, Al, Cl, Ca, Cu, Zn.

Masele atomice nu sunt numere întregi în realitate?

Corect! H = 1.008, C = 12.011, O = 15.999. Noi folosim mase rotunjite (int) pentru simplitate. Poți schimba int mase[] în double mase[] pentru precizie mai mare.

Cum adaug un element nou în baza de date?

1. Mărește NR_ELEM. 2. Adaugă simbolul în vectorul simboluri[]. 3. Adaugă masa în vectorul mase[] (la aceeași poziție). Testează cu o formulă ce conține noul element.

PROBLEME PBINFO - 15 minute

PbInfo - Masa pentru H2O

Formula simpla

Enunț:

Cerință: Calculeaza masa moleculara pentru formula H2O.

Date de intrare:

Formula H2O.

Date de ieșire:

Masa moleculara.

Exemplu:

Intrare:

H2O

Ieșire:

Explicație: 2*1+16=18.

Cum gândim soluția:

Citim formula ca string.
Pentru H adaugam 1 inmultit cu numarul de atomi.
Pentru O adaugam 16.

Tip: Pentru aceasta problema poti trata doar H, C, O. Daca dupa element apare o cifra, ea spune cati atomi sunt; daca nu apare, presupunem 1.

Scrie soluția în C++:

Soluție corectă:

#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype>
using namespace std;

int masaAtomica(char e) {
    if (e == 'H') return 1;
    if (e == 'C') return 12;
    if (e == 'O') return 16;
    return 0;
}

int main() {
    string f;
    cin >> f;
    int total = 0;
    for (int i = 0; i < f.size(); i++) {
        char e = f[i];
        int nr = 1;
        if (i + 1 < f.size() && isdigit(f[i + 1])) {
            nr = f[i + 1] - '0'; // '2' devine numarul 2
            i++;                 // sarim peste cifra deja folosita
        }
        total += masaAtomica(e) * nr;
    }
    cout << total;
}

PbInfo - Masa pentru CO2

Atom implicit

Enunț:

Cerință: Calculeaza masa moleculara pentru CO2.

Date de intrare:

Formula CO2.

Date de ieșire:

Masa moleculara.

Exemplu:

Intrare:

CO2

Ieșire:

Explicație: C=12 si O2=32.

Cum gândim soluția:

C are numar implicit 1.
O are numar 2.
Adunam 12+32.

Tip: Numarul lipsa inseamna 1.

Scrie soluția în C++:

Soluție corectă:

#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype>
using namespace std;
int masa(char e) {
    if (e == 'H') return 1;
    if (e == 'C') return 12;
    if (e == 'O') return 16;
    return 0;
}
int main() {
    string f;
    cin >> f;
    int total = 0;
    for (int i = 0; i < f.size(); i++) {
        char e = f[i];
        int nr = 1;
        if (i + 1 < f.size() && isdigit(f[i + 1])) {
            nr = f[i + 1] - '0';
            i++;
        }
        total += masa(e) * nr;
    }
    cout << total;
}

PbInfo - Formula cu mai multi termeni

Parsare simpla

Enunț:

Cerință: Se citeste o formula formata din H, C, O si cifre de o singura cifra. Afiseaza masa.

Date de intrare:

Formula chimica.

Date de ieșire:

Masa moleculara.

Exemplu:

Intrare:

C6H6O

Ieșire:

Explicație: 6*12+6*1+16=94.

Cum gândim soluția:

Parcurgem caracterele.
Cand gasim element, citim cifra de dupa el daca exista.
Adunam masa atomica * numar.

Tip: Aceasta varianta nu trateaza paranteze. isdigit(f[i+1]) verifica daca urmatorul caracter este cifra, iar f[i+1] - '0' transforma caracterul '6' in numarul 6.

Scrie soluția în C++:

Soluție corectă:

#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype>
using namespace std;
int masa(char e) {
    if (e == 'H') return 1;
    if (e == 'C') return 12;
    if (e == 'O') return 16;
    return 0;
}
int main() {
    string f;
    cin >> f;
    int total = 0;
    for (int i = 0; i < f.size(); i++) {
        char e = f[i];
        int nr = 1;
        if (i + 1 < f.size() && isdigit(f[i + 1])) {
            nr = f[i + 1] - '0';
            i++;
        }
        total += masa(e) * nr;
    }
    cout << total;
}

EXERCIȚII PRACTICE - 2 sarcini / 20 minute

Exercițiul Practic: Calculator molecular

Extinde calculatorul molecular cu afișare detaliată, sortare și verificarea formulelor chimice. Pentru formule cu elemente de o literă poți folosi parserul simplu; pentru Na, Cl, Ca e mai clar să lucrezi direct cu perechi element-cantitate.

Limitarea parserului simplu: codul de bază citește simboluri de o singură literă și cifre de o singură cifră. Nu tratează paranteze, indici de două cifre sau elemente precum Na și Cl fără o extindere separată.

Sarcina 1: Afișare detaliată

Pași de rezolvare

Localizează linia total += nr * masaElem; în funcția calculeazaMasa()
Imediat după, adaugă cout << simbol << " x " << nr << " = " << nr * masaElem << endl;
Înainte de return total;, adaugă linia de separare și totalul
Testează cu "C6H12O6" → trebuie să afișeze C×6=72, H×12=12, O×6=96, Total=180

Modifică funcția calculeazaMasa să afișeze la fiecare pas: "C × 6 = 72", "H × 12 = 12", etc., apoi totalul.

Afișare: simbol × cantitate = subtotal, la fiecare pas al parsării

cout << simbol << " x " << nr << " = " << nr * masaElem << endl;

Se citește: „afișăm simbolul, cantitatea și produsul lor la fiecare iterație"

// Pseudocod: afișare detaliată a parsării FUNCȚIE calculeazaMasaDetaliat(formula) total ← 0 // ... parsare normală (simbol + nr) ... total ← total + nr · masaElem SCRIE simbol, " × ", nr, " = ", nr · masaElem // afișare la fiecare pas SCRIE "---" SCRIE "Total = ", total, " u" RETURNEAZĂ total SFÂRȘIT FUNCȚIE

De ce funcționează? Afișarea la fiecare pas al parsării ne ajută la debugging — vedem exact ce simbol a detectat programul, câte atome și masa parțială. Dacă totalul nu e corect, putem identifica imediat care element a fost citit greșit.

// Dupa linia "total += nr * masaElem;" adauga:
cout << simbol << " x " << nr   // afiseaza simbol si cantitate
     << " = " << nr * masaElem << endl;  // si subtotalul
// La final, inainte de return:
cout << "---\nTotal = " << total  // linie separare
     << " u" << endl;               // unitatea de masura

Sarcina 2: Top 3 cele mai grele

Pași de rezolvare

Citește n formule chimice (string) într-un vector + calculează masele cu calculeazaMasa()
Sortează descrescător vectorul de mase (cu swap simultan pe vectorul de formule)
Afișează primele min(n, 3) elemente
Testează cu: H2O (18), C6H12O6 (180), H2SO4 (98), NaCl (58) → top: glucoză, acid, sare

Citește n formule chimice de la tastatură. Afișează top 3 cele mai grele substanțe cu masa lor.

Sortare descrescătoare: dacă masa[j] > masa[i], interschimbăm

if(maseCalc[j] > maseCalc[i]) { swap(...); swap(...); }

Se citește: „dacă substanța j e mai grea decât i, le inversăm ca cele mai grele să ajungă primele"

// Pseudocod: top 3 cele mai grele substanțe CITEȘTE n PENTRU i ← 0, n-1 CITEȘTE formule[i] maseCalc[i] ← calculeazaMasa(formule[i]) SFÂRȘIT PENTRU // Sortare descrescătoare PENTRU i ← 0, n-2 PENTRU j ← i+1, n-1 DACĂ maseCalc[j] > maseCalc[i] ATUNCI interschimbă(maseCalc[i], maseCalc[j]) interschimbă(formule[i], formule[j]) SFÂRȘIT PENTRU top ← min(n, 3) PENTRU i ← 0, top-1 SCRIE i+1, ". ", formule[i], " = ", maseCalc[i], " u" SFÂRȘIT PENTRU

De ce funcționează? Sortarea descrescătoare mută substanțele cu masa cea mai mare pe primele poziții. Interschimbăm simultan și vectorul de formule și cel de mase, ca fiecare formulă să rămână asociată cu masa ei corectă.

int n; cin >> n;                           // cate formule citim
string formule[100]; int maseCalc[100];    // vectori paraleli
for(int i=0; i<n; i++){
    cin >> formule[i];                     // citim formula
    maseCalc[i] = calculeazaMasa(formule[i]); // calculam masa
}
// Sortare descrescatoare (selection sort)
for(int i=0; i<n-1; i++)
    for(int j=i+1; j<n; j++)
        if(maseCalc[j] > maseCalc[i]){    // j mai grea?
            swap(maseCalc[i], maseCalc[j]); // inversam masele
            swap(formule[i], formule[j]);   // si formulele
        }
int top = (n < 3) ? n : 3;               // maxim 3 rezultate
for(int i=0; i<top; i++)
    cout << i+1 << ". " << formule[i]    // pozitia + formula
         << " = " << maseCalc[i] << " u" << endl;

Obiectivele proiectului

Dicționar: Chimie proiect ↔ C++

Analogie: Cum citim o formulă chimică?

Rețeta de bucătărie

Tabelul elementelor în program

Plan de lucru (3 faze)

Faza 1: Baza de date cu elemente (20 min)

Faza 2: Parsarea formulei (40 min)

Faza 3: Testare și meniu (30 min)

Pseudocod: Algoritmul de parsare

Codul complet al proiectului

Cum funcționează parsarea?

Trace pas cu pas: "C6H12O6" (Glucoză)

Trace: "NaCl" (simbol cu 2 litere)

Compoziție procentuală

Exemplu: H₂O (M = 18 u)

Trace parsare completă: "H2SO4"

Verificare cunoștințe

Extensie: proiectarea tabelului de elemente

Pași pentru o căutare robustă

Întrebări frecvente (FAQ)

PbInfo - Masa pentru H2O

Enunț:

Date de intrare:

Date de ieșire:

Exemplu:

Cum gândim soluția:

Scrie soluția în C++:

Soluție corectă:

PbInfo - Masa pentru CO2

Enunț:

Date de intrare:

Date de ieșire:

Exemplu:

Cum gândim soluția:

Scrie soluția în C++:

Soluție corectă:

PbInfo - Formula cu mai multi termeni

Enunț:

Date de intrare:

Date de ieșire:

Exemplu:

Cum gândim soluția:

Scrie soluția în C++:

Soluție corectă:

Exercițiul Practic: Calculator molecular

Sarcina 1: Afișare detaliată

Pași de rezolvare

Sarcina 2: Top 3 cele mai grele

Pași de rezolvare

Descarcă toate exercițiile și soluțiile