Chapitre 4 – Atomes, molécules et ions

3e prépa-métiers | Physique-Chimie | La matière

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Avant de commencer, tu dois savoir…

Lire une puissance de 10 avec un exposant négatif, par exemple 10⁻³ = 0,001 (maths, chapitre 2).
Comparer deux puissances de 10 : 10⁻⁹ est plus petit que 10⁻³ (maths, chapitre 2).
Savoir que la matière peut être solide, liquide ou gazeuse (l'eau : glace, eau liquide, vapeur).

Objectifs du chapitre :

C1 – Décrire la constitution d'un atome (noyau avec protons et neutrons, électrons) et comparer les tailles avec les puissances de 10.
C2 – Utiliser le tableau périodique pour passer du nom d'un élément à son symbole et à son numéro atomique.
C3 – Reconnaître une molécule et interpréter sa formule chimique (nombre et nature des atomes).
C4 – Expliquer ce qu'est un ion et lire sa formule (ion positif, ion négatif).
C5 – Distinguer atome, molécule et ion dans une liste ou un modèle.

1. Situation d'entrée — L'étiquette de la bouteille d'eau

Situation — Après le match

Après le match de foot, Yanis boit une bouteille d'eau minérale.

Il lit l'étiquette. Il voit des mots connus : calcium, sodium, magnésium.

Mais il voit aussi des écritures bizarres : Ca²⁺, Na⁺, Cl⁻.

Question 1 : que veulent dire les lettres Ca, Na, Cl ?
Question 2 : que veulent dire les petits signes + et − en haut ?

Pour répondre, il faut savoir de quoi est faite la matière. La réponse est dans la section 5.

Exemple d'étiquette d'eau minérale. « mg/L » veut dire : milligrammes dans un litre d'eau.

2. L'atome : un noyau et des électrons (C1)

Définition Toute la matière est faite de grains minuscules : les atomes.
L'eau, l'air, le bois, ton corps, ton téléphone : tout est fait d'atomes. Ils sont si petits qu'on ne peut pas les voir, même avec un microscope du collège.

2.1 De quoi est fait un atome ?

À savoir Un atome a deux parties :

au centre, un noyau, fait de protons et de neutrons ;
autour du noyau, des électrons, qui bougent très vite.

Entre le noyau et les électrons, il n'y a rien : c'est du vide.

Un atome d'hélium (le gaz des ballons qui s'envolent) : 2 protons, 2 neutrons, 2 électrons. Le dessin n'est pas à l'échelle : en vrai, le noyau serait beaucoup trop petit pour être vu.

Particule	Où est-elle ?	Charge électrique
Proton	dans le noyau	positive (+)
Neutron	dans le noyau	pas de charge (neutre)
Électron	autour du noyau	négative (−)

Règle Un atome a autant d'électrons que de protons.
Les charges + et les charges − s'annulent : l'atome est électriquement neutre.

Exemple : l'atome d'oxygène a 8 protons dans son noyau.

Il a donc aussi 8 électrons autour du noyau : 8 charges + et 8 charges −. Il est neutre.

Pour aller plus loin : presque toute la masse de l'atome est dans le noyau. Les électrons sont très, très légers.

Application

a) Que trouve-t-on dans le noyau d'un atome ?
b) Quelle est la charge d'un électron ?
c) L'atome de carbone a 6 protons. Combien a-t-il d'électrons ?

a) Des protons et des neutrons.
b) Un électron a une charge négative (−).
c) Un atome a autant d'électrons que de protons : 6 électrons.

2.2 La taille d'un atome

Objet	Taille (ordre de grandeur)	En écriture décimale
Un atome	10⁻¹⁰ m	0,000 000 000 1 m
Le noyau d'un atome	10⁻¹⁵ m	0,000 000 000 000 001 m

Méthode Comparer la taille de l'atome et celle du noyau

Je compare les exposants : −15 est plus petit que −10. Donc le noyau est plus petit que l'atome.

Je compte les pas pour aller de −15 à −10 : 5 pas.

Chaque pas, c'est « × 10 » : 10 × 10 × 10 × 10 × 10 = 10⁵ = 100 000.

Je conclus : l'atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau.

Si l'atome était aussi grand qu'un stade (100 m), son noyau serait une tête d'épingle (1 mm) au centre du terrain.

Attention Sur les dessins, on fait le noyau gros pour bien le voir. En vrai, il est 100 000 fois plus petit que l'atome. L'atome est surtout fait de vide.

Application

Un cheveu a une épaisseur d'environ 10⁻⁴ m. Un atome mesure environ 10⁻¹⁰ m.
a) Lequel est le plus petit ?
b) Combien de fois le cheveu est-il plus épais que l'atome ?

a) −10 est plus petit que −4 : l'atome est le plus petit.
b) De −10 à −4, il y a 6 pas. 10⁶ = 1 000 000. Le cheveu est environ un million de fois plus épais qu'un atome.

3. Le tableau périodique (C2)

Définition Il existe plusieurs sortes d'atomes. Chaque sorte s'appelle un élément chimique : hydrogène, carbone, oxygène, fer…
On connaît 118 éléments. Ils sont rangés dans le tableau périodique (on dit aussi « classification périodique »).

À savoir Chaque élément a :

un nom : carbone ;
un symbole : C. C'est une majuscule, parfois suivie d'une minuscule (Ca pour calcium) ;
un numéro atomique : 6. C'est le nombre de protons dans le noyau.

Comment lire une case du tableau périodique.

Extrait du tableau périodique : les 20 premiers éléments. Ligne par ligne, de gauche à droite, le numéro atomique augmente de 1.

Méthode Trouver le symbole et le numéro atomique d'un élément

Je cherche le nom de l'élément, en bas des cases.

Je lis le symbole : la grosse lettre au milieu de la case.

Je lis le numéro atomique : le nombre en haut à gauche.

Exemple : je cherche le sodium.

Sa case est au début de la ligne 3. Son symbole est Na. Son numéro atomique est 11 : son noyau a 11 protons.

Le symbole ne ressemble pas toujours au nom français. Na vient du mot latin natrium, K vient de kalium (potassium).

Quelques autres éléments utiles, plus loin dans le tableau :

Nom	Symbole	Numéro atomique	On le trouve…
Fer	Fe	26	dans l'acier des outils et des clous
Cuivre	Cu	29	dans les fils électriques
Zinc	Zn	30	dans les gouttières et les toits en zinc

Attention

La deuxième lettre d'un symbole est toujours une minuscule : on écrit Ca, jamais « CA ».
Co (une seule majuscule) est l'élément cobalt. CO (deux majuscules), c'est deux éléments : carbone et oxygène.

Application

Utilise l'extrait du tableau périodique.
a) Donne le symbole et le numéro atomique de l'azote.
b) Donne le symbole et le numéro atomique du calcium.
c) Quel élément a le numéro atomique 17 ?
d) Quel élément a pour symbole Mg ?

a) Azote : symbole N, numéro atomique 7.
b) Calcium : symbole Ca, numéro atomique 20.
c) Le numéro 17, c'est le chlore (Cl).
d) Mg, c'est le magnésium (numéro 12).

4. Les molécules et leur formule (C3)

Définition Une molécule est un groupe d'atomes accrochés ensemble.
Une molécule est neutre : elle n'a pas de charge électrique.

4.1 Les modèles moléculaires

Pour voir une molécule « en grand », on utilise des modèles : des boules de couleur. Chaque couleur représente un élément.

Les six molécules à connaître, en modèles compacts. Les couleurs sont les mêmes dans toutes les boîtes de modèles.

Molécule	Formule	Où la trouve-t-on ?
Dioxygène	O₂	dans l'air (environ 21 %) ; on le respire
Diazote	N₂	dans l'air (environ 78 %)
Dihydrogène	H₂	carburant de certains bus et voitures à hydrogène
Eau	H₂O	robinet, pluie, mer, ton corps
Dioxyde de carbone	CO₂	l'air qu'on expire, les gaz d'échappement, les bulles des sodas
Méthane	CH₄	le gaz naturel de la gazinière et de la chaudière

4.2 Lire une formule chimique

Règle Dans une formule chimique :

chaque symbole (lettres) donne un élément ;
le petit chiffre en bas à droite donne le nombre d'atomes de l'élément juste avant ;
pas de petit chiffre = 1 seul atome.

Lire la formule CO₂ : 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène.

Méthode Lire une formule chimique

Je repère les symboles : chaque majuscule commence un nouvel élément.

Pour chaque symbole, je lis le petit chiffre juste après. S'il n'y en a pas, c'est 1.

J'écris : « … atome(s) de … ».

J'additionne pour avoir le nombre total d'atomes.

Exemple 1 : la molécule d'eau H₂O.

Symboles : H (hydrogène) et O (oxygène).

Après H, il y a un petit 2. Après O, il n'y a rien : c'est 1.

2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène.

Total : 2 + 1 = 3 atomes.

Exemple 2 : le méthane CH₄ : 1 atome de carbone et 4 atomes d'hydrogène. Total : 1 + 4 = 5 atomes.

Repère — les noms en « di » « Di » veut dire deux. Le dioxygène O₂ a 2 atomes d'oxygène. Le dioxyde de carbone CO₂ a 2 atomes d'oxygène.

Attention Le petit chiffre compte seulement l'élément juste avant. Dans CO₂, le 2 compte les atomes d'oxygène, pas ceux de carbone.

Activité expérimentale 1 — Construire des molécules

Matériel : une boîte de modèles moléculaires (boules blanches, noires, rouges, bleues et petites tiges pour les accrocher).

Lis la formule de la molécule dans le tableau.

Prends les bonnes boules : la bonne couleur et le bon nombre.

Accroche-les. Compare avec le dessin des modèles plus haut.

Complète le tableau sur ton cahier.

Formule	Boules utilisées (couleur et nombre)	Nombre total d'atomes
H₂	…	…
O₂	…	…
N₂	…	…
H₂O	…	…
CO₂	…	…
CH₄	…	…

H₂ : 2 blanches → 2 atomes.
O₂ : 2 rouges → 2 atomes.
N₂ : 2 bleues → 2 atomes.
H₂O : 2 blanches + 1 rouge → 3 atomes.
CO₂ : 1 noire + 2 rouges → 3 atomes.
CH₄ : 1 noire + 4 blanches → 5 atomes.

Une molécule peut être faite d'atomes tous pareils (O₂, N₂, H₂) ou d'atomes différents (H₂O, CO₂, CH₄).

Application 1

Le gaz des bouteilles de camping contient du propane, de formule C₃H₈.
a) Quels éléments contient-il ?
b) Combien d'atomes de chaque élément ?
c) Combien d'atomes au total ?

a) Du carbone (C) et de l'hydrogène (H).
b) 3 atomes de carbone et 8 atomes d'hydrogène.
c) 3 + 8 = 11 atomes.

Application 2

Une molécule est faite de 1 atome d'azote (N) et de 3 atomes d'hydrogène (H). C'est l'ammoniac, présent dans certains produits ménagers.
Écris sa formule.

1 atome N : on écrit N, sans chiffre. 3 atomes H : on écrit H avec un petit 3.
Formule : NH₃.

5. Les ions (C4)

Définition Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
Un ion n'est plus neutre : il porte une charge électrique, écrite en haut à droite.

Règle

L'atome perd des électrons → il devient un ion positif (+).
L'atome gagne des électrons → il devient un ion négatif (−).

Le noyau ne change pas : seuls les électrons partent ou arrivent.

En haut : l'atome de sodium perd un électron et devient l'ion Na⁺. En bas : l'atome de chlore gagne un électron et devient l'ion Cl⁻.

Astuce pour ne pas se tromper : l'électron est négatif. Perdre du négatif rend positif. C'est comme une dette : si on t'enlève une dette, ton compte monte.

5.1 Lire la formule d'un ion

Lire la formule de l'ion calcium Ca²⁺.

Méthode Lire la formule d'un ion

Je lis le symbole : il donne l'élément (avec le tableau périodique).

Je regarde le signe en haut à droite : + = ion positif ; − = ion négatif.

Je regarde le chiffre devant le signe. Pas de chiffre = 1.

Je conclus : signe + → électrons perdus ; signe − → électrons gagnés.

Ion	Nom	Positif ou négatif ?	Électrons
Na⁺	ion sodium	positif	1 perdu
K⁺	ion potassium	positif	1 perdu
Ca²⁺	ion calcium	positif	2 perdus
Mg²⁺	ion magnésium	positif	2 perdus
H⁺	ion hydrogène	positif	1 perdu
Cl⁻	ion chlorure	négatif	1 gagné
OH⁻	ion hydroxyde	négatif	1 gagné (par le groupe O et H)

Repère — les ions faits de plusieurs atomes Certains ions sont faits de plusieurs atomes : OH⁻, HCO₃⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻.
Ce sont quand même des ions, car ils portent une charge. On reparlera des ions H⁺ et OH⁻ au chapitre 5 (acides, bases et pH).

Application

Pour chaque ion, dis s'il est positif ou négatif, et combien d'électrons ont été perdus ou gagnés.
a) Mg²⁺ b) Cl⁻ c) K⁺

a) Mg²⁺ : ion positif, 2 électrons perdus.
b) Cl⁻ : ion négatif, 1 électron gagné (pas de chiffre = 1).
c) K⁺ : ion positif, 1 électron perdu.

Application

Un atome d'oxygène (symbole O) gagne 2 électrons. Écris la formule de l'ion obtenu.

Il gagne des électrons : l'ion est négatif. Il en gagne 2 : on écrit 2− en haut à droite.
Formule : O²⁻ (l'ion oxyde).

Activité 2 — Lire l'étiquette d'une eau minérale

Reprends l'étiquette de la situation d'entrée (section 1).

Recopie les ions positifs.

Recopie les ions négatifs.

L'ion calcium Ca²⁺ : l'atome de calcium a-t-il perdu ou gagné des électrons ? Combien ?

L'ion HCO₃⁻ : combien d'atomes de chaque élément contient-il ?

1. Ions positifs : Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺.
2. Ions négatifs : HCO₃⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, NO₃⁻.
3. Signe + : il a perdu des électrons. Chiffre 2 : 2 électrons perdus.
4. HCO₃⁻ : 1 atome d'hydrogène, 1 atome de carbone, 3 atomes d'oxygène, avec une charge −.

Réponse à la situation d'entrée :

Les lettres Ca, Na, Cl sont des symboles d'éléments : calcium, sodium, chlore. On les trouve dans le tableau périodique.

Les petits signes + et − en haut à droite montrent que ce sont des ions : des atomes qui ont perdu (+) ou gagné (−) des électrons.

L'eau minérale contient donc des ions dissous. On ne les voit pas, mais ils sont là.

Lien avec la sécurité (chapitre 1) L'eau du robinet contient aussi des ions. Ce sont eux qui lui permettent de conduire le courant électrique.
C'est pour cela qu'on ne touche jamais un appareil électrique ou une prise avec les mains mouillées.

6. Atome, molécule ou ion ? (C5)

	Atome	Molécule	Ion
C'est…	un seul grain de matière	un groupe d'atomes accrochés	un atome ou un groupe d'atomes qui a perdu ou gagné des électrons
Charge	neutre	neutre	+ ou −
Formule	un seul symbole, sans chiffre	plusieurs atomes	un signe en haut à droite
Exemples	Fe, Cu, He	H₂O, O₂, CO₂	Na⁺, Cl⁻, OH⁻

Pour trier, on pose toujours la question de la charge en premier.

Méthode Trier : atome, molécule ou ion ?

Je regarde en haut à droite : s'il y a un + ou un −, c'est un ion. J'ai fini.

Sinon, je compte les atomes. Un seul symbole sans chiffre : c'est un atome.

Deux atomes ou plus : c'est une molécule.

Exemple : je trie O, O₂ et OH⁻.

O : pas de signe, un seul symbole, pas de chiffre → atome d'oxygène.
O₂ : pas de signe, 2 atomes → molécule de dioxygène.
OH⁻ : il y a un signe − en haut → ion, même s'il a 2 atomes.

Attention

O₂ n'est pas un atome : le petit 2 dit qu'il y a 2 atomes. C'est une molécule.
OH⁻ n'est pas une molécule : il a une charge. C'est un ion.

Application 1

Trie dans un tableau à trois colonnes (atome, molécule, ion) :
Fe ; H₂O ; Na⁺ ; N₂ ; Cl⁻ ; He ; CO₂ ; Ca²⁺ ; Cu ; OH⁻

Atome	Molécule	Ion
Fe ; He ; Cu	H₂O ; N₂ ; CO₂	Na⁺ ; Cl⁻ ; Ca²⁺ ; OH⁻

OH⁻ a deux atomes, mais il a une charge : c'est un ion.

Application 2

Voici quatre modèles, notés A, B, C et D. Pour chacun, dis si c'est un atome, une molécule ou un ion.

Quatre modèles à trier.

A : une seule boule, pas de charge → atome de cuivre (Cu).
B : trois boules accrochées, pas de charge → molécule d'eau (H₂O).
C : une boule avec une charge + → ion sodium (Na⁺).
D : deux boules accrochées, pas de charge → molécule de dioxygène (O₂).

7. L'essentiel à retenir

À retenir :

Atome : un noyau (protons +, neutrons sans charge) et des électrons (−) autour. Autant de protons que d'électrons : l'atome est neutre.
Tailles : atome ≈ 10⁻¹⁰ m ; noyau ≈ 10⁻¹⁵ m. L'atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau : il est surtout fait de vide.
Tableau périodique : chaque élément a un nom, un symbole (une majuscule, parfois une minuscule) et un numéro atomique (le nombre de protons).
Molécule : un groupe d'atomes accrochés, neutre. Dans sa formule, le petit chiffre en bas donne le nombre d'atomes de l'élément juste avant (pas de chiffre = 1).
Molécules à connaître : O₂ (dioxygène), N₂ (diazote), H₂ (dihydrogène), H₂O (eau), CO₂ (dioxyde de carbone), CH₄ (méthane).
Ion : un atome ou un groupe d'atomes qui a perdu des électrons (ion positif, ex. Na⁺, Ca²⁺) ou gagné des électrons (ion négatif, ex. Cl⁻, OH⁻). La charge s'écrit en haut à droite.
Trier : d'abord la charge (→ ion) ; sinon, 1 atome (→ atome) ou plusieurs (→ molécule).

Erreurs fréquentes

Écrire « CA » au lieu de « Ca » : la deuxième lettre d'un symbole est toujours une minuscule.
Croire que le petit chiffre compte toute la formule : dans CO₂, il y a 1 carbone et 2 oxygènes.
Oublier qu'un symbole sans chiffre compte pour 1 atome.
Inverser perdu et gagné : un ion + a perdu des électrons.
Prendre OH⁻ pour une molécule : il a une charge, c'est un ion.
Croire que le noyau est gros : sur les dessins oui, mais en vrai il est 100 000 fois plus petit que l'atome.

Au chapitre 5, on verra que les ions H⁺ et OH⁻ rendent une solution acide ou basique.