[Sweet]

В таких случаях нужно пользоваться регулярными выражениями. Например, так:

<div>2H2 + O2 = 2H2O</div>
<script>
var div = document.getElementsByTagName('div')[0],
    formula = div.innerHTML,
    newFormula = formula.replace(/(\w)(\d)/g, function(){
      return arguments[1] + '<sub>' + arguments[2] + '</sub>';
    });
div.innerHTML = newFormula;
</script>