Já ficou claro pelas outras respostas e comentários que você precisa isolar as operações matemáticas com parênteses. Como sugeriu o Sergio:
$arr_4[] = $arr_3[$i]."<sup>".($arr_22[$i]-$contador+$eletrons)."</sup>"
Para entender o motivo, fui verificar a precedência dos operadores +
, -
e .
, e descobri que os três têm a mesma precedência. Como são operadores associativos, são agrupados da esquerda para a direita. Substituindo os valores do seu código, temos, sem aplicar parênteses:
$a = "3d";
$b = 10;
$c = 30;
$d = 26;
$x = "$a<sup>" . $b - $c + $d . "</sup>"; // "-1</sup>"
A saída é "-1</sup>"
porque o código é interpretado assim:
$x = (("3d<sup>" . $b) - $c + $d) . "</sup>";
// portanto:
$x = ("3d<sup>10" - 30 + 26) . "</sup>";
// 3d<sup>10 é convertido para 3 no momento da subtração:
$x = (3 - 30 + 26) . "</sup>";
// finalmente:
$x = -1 . "</sup>";
O manual do PHP explica a conversão de "3d<sup>10"
para 3
numa seção intitulada String conversion to numbers.