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Seconde · Physique-chimie · Constitution et transformations de la matière · Chapitre 3

De l’atome à l’élément chimique

Fiche de cours5 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Les entités chimiques

Définition. Un atome est une entité électriquement neutre, constituée d’un noyau et d’électrons. Une molécule est un assemblage d’atomes liés entre eux, elle aussi électriquement neutre (HX2O\ce{H2O}, COX2\ce{CO2}).

Définition. Un ion est une entité électriquement chargée, obtenue à partir d’un atome ou d’un groupe d’atomes qui a perdu ou gagné des électrons. Un cation a perdu des électrons : il est chargé positivement (NaX+\ce{Na+}, FeX3+\ce{Fe^3+}). Un anion en a gagné : il est chargé négativement (ClX−\ce{Cl-}, SOX4X2−\ce{SO4^2-}).

Notation. Un ion est monoatomique s’il provient d’un seul atome (NaX+\ce{Na+}, ClX−\ce{Cl-}), polyatomique s’il provient d’un groupe d’atomes (NHX4X+\ce{NH4+}, SOX4X2−\ce{SO4^2-}, HOX−\ce{HO-}).

Propriété. Un ion qui a perdu nn électrons porte la charge q=+n eq=+n\,e ; un ion qui en a gagné nn porte la charge q=−n eq=-n\,e, où ee est la charge élémentaire.

2Solides ioniques et électroneutralité

Définition. Un solide ionique est un empilement régulier de cations et d’anions. Il est électriquement neutre : les charges positives et négatives se compensent exactement.

Méthode — écrire la formule d’un solide ionique. écrire le cation puis l’anion, sans les charges, et ajouter en indice le plus petit nombre entier de chaque ion qui assure la neutralité. Ainsi CaX2+\ce{Ca^2+} et ClX−\ce{Cl-} donnent CaClX2\ce{CaCl2} (un ion CaX2+\ce{Ca^2+} pour deux ions ClX−\ce{Cl-}).

3Structure de l’atome

Définition. Le noyau d’un atome contient des protons, chargés positivement (+e+e), et des neutrons, neutres ; ces particules sont les nucléons. Autour du noyau se déplacent les électrons, de charge −e-e.

Notation. On écrit un noyau sous la forme ZAX^{A}_{Z}\text{X}, où X est le symbole de l’élément :

  • ZZ est le numéro atomique (ou nombre de charge) : c’est le nombre de protons ;
  • AA est le nombre de masse : c’est le nombre de nucléons ;
  • le nombre de neutrons vaut N=A−ZN=A-Z.

Propriété — neutralité de l’atome. un atome possède autant d’électrons que de protons : sa charge totale est nulle. Un ion monoatomique ZAXn+^{A}_{Z}\text{X}^{n+} possède ZZ protons, A−ZA-Z neutrons et Z−nZ-n électrons ; un ion ZAXn−^{A}_{Z}\text{X}^{n-} en possède Z+nZ+n.

4Élément chimique et isotopes

Définition. Un élément chimique rassemble toutes les entités dont le noyau a le même numéro atomique ZZ : l’atome, ses ions et ses isotopes appartiennent au même élément. C’est ZZ, et lui seul, qui définit l’élément.

Définition. Deux noyaux isotopes ont le même ZZ et des nombres de masse AA différents : ils diffèrent par leur nombre de neutrons (X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} et X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl}).

Remarque. L’élément chimique se conserve au cours des transformations chimiques : les atomes se réorganisent, ils ne disparaissent pas.

5Masses, charges et ordres de grandeur

DonnéesValeurs à connaître ou à savoir utiliser
  • Charge élémentaire : e=1,6×10−19 Ce={1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{C}}. Charges : proton +e+e ; neutron 00 ; électron −e-e.
  • Masses : proton mp=1,673×10−27 kgm_p={1{,}673\times10^{-27}\,\mathrm{kg}} ; neutron mn=1,675×10−27 kgm_n={1{,}675\times10^{-27}\,\mathrm{kg}} ; électron me=9,11×10−31 kgm_e={9{,}11\times10^{-31}\,\mathrm{kg}}, soit environ 1 800{1\,800} fois plus léger qu’un nucléon. On retient mnucleˊon≈1,67×10−27 kgm_{\text{nucléon}}\approx{1{,}67\times10^{-27}\,\mathrm{kg}}.
  • Dimensions (diamètres) : atome ≈1×10−10 m\approx{1\times10^{-10}\,\mathrm{m}} ; noyau ≈1×10−15 m\approx{1\times10^{-15}\,\mathrm{m}}, soit 100 000{100\,000} fois plus petit.

Propriété — structure lacunaire. la masse de l’atome est presque entièrement concentrée dans le noyau, qui occupe une part infime de son volume : l’atome est essentiellement constitué de vide.

FormulaireLe formulaire du chapitre
  • Masse d’un atome (électrons négligés) : matome≈A×mnucleˊonm_{\text{atome}}\approx A\times m_{\text{nucléon}}
  • Nombre d’atomes d’un échantillon : Natomes=meˊchantillonmatomeN_{\text{atomes}}=\dfrac{m_{\text{échantillon}}}{m_{\text{atome}}} (mêmes unités de masse)
  • Charge d’un ion : q=± n eq=\pm\,n\,e avec nn le nombre d’électrons perdus ou gagnés.

6Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire
  • Classer des entités en atomes, molécules, cations et anions ; distinguer ions monoatomiques et polyatomiques.
  • Écrire la formule d’un solide ionique en utilisant l’électroneutralité.
  • Donner la composition (protons, neutrons, électrons) d’un atome ou d’un ion à partir de ZAX^{A}_{Z}\text{X}, et réciproquement.
  • Reconnaître un élément chimique et des isotopes ; calculer la charge d’un ion en coulombs.
  • Calculer la masse d’un atome, puis le nombre d’atomes d’un échantillon ; manipuler les puissances de 10.

7Exemples types

Exemplecomposition d’un atome et d’un ion

Pour X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al} : Z=13Z=13 protons, N=A−Z=27−13=14N=A-Z=27-13=14 neutrons et 1313 électrons (atome neutre). L’ion AlX3+\ce{Al^3+} a perdu 33 électrons : il garde 1313 protons et 1414 neutrons, mais n’a plus que 1010 électrons. Sa charge vaut q=+3e=3×1,6×10−19=4,8×10−19 Cq=+3e=3\times{1{,}6\times10^{-19}}={4{,}8\times10^{-19}\,\mathrm{C}}.

Exemplemasse d’un atome et nombre d’atomes

Masse d’un atome d’aluminium : matome≈A×mnucleˊon=27×1,67×10−27=4,5×10−26 kgm_{\text{atome}}\approx A\times m_{\text{nucléon}}=27\times{1{,}67\times10^{-27}}={4{,}5\times10^{-26}\,\mathrm{kg}}. Dans un échantillon de 1,0 g{1{,}0\,\mathrm{g}}, soit 1,0×10−3 kg{1{,}0\times10^{-3}\,\mathrm{kg}} : Natomes=1,0×10−34,5×10−26=2,2×1022N_{\text{atomes}}=\dfrac{{1{,}0\times10^{-3}}}{{4{,}5\times10^{-26}}}={2{,}2\times10^{22}} atomes.

Exempleisotopes

Les noyaux X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} et X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl} ont le même Z=17Z=17 : ce sont deux isotopes de l’élément chlore. Le premier a 35−17=1835-17=18 neutrons, le second 37−17=2037-17=20. Leurs propriétés chimiques sont identiques ; leurs masses sont différentes.

Exempleformule d’un solide ionique

Le chlorure de magnésium est formé des ions MgX2+\ce{Mg^2+} et ClX−\ce{Cl-}. Pour une charge +2+2 apportée par un ion magnésium, il faut deux charges −1-1 : sa formule est MgClX2\ce{MgCl2}. De même, NaX+\ce{Na+} et SOX4X2−\ce{SO4^2-} donnent NaX2SOX4\ce{Na2SO4}.

Pièges
  • Confondre AA et ZZ : ZZ (en bas) compte les protons, AA (en haut) compte tous les nucléons ; le nombre de neutrons ne se lit pas directement, il se calcule.
  • Croire qu’un cation a gagné des charges positives : il a perdu des électrons ; le noyau, lui, n’est jamais modifié dans une transformation chimique.
  • Changer ZZ en formant un ion : l’ion AlX3+\ce{Al^3+} appartient toujours à l’élément aluminium.
  • Oublier le signe de la charge d’un anion, ou donner une charge en nombre d’électrons au lieu de coulombs.
  • Comparer des masses exprimées dans des unités différentes avant de diviser : convertir grammes et kilogrammes avant de calculer NatomesN_{\text{atomes}}.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

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Les bases : entités chimiques, écriture ZA^{A}_{Z}X, élément, ions, masse d’un atome

7 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3durée conseillée : 1 h 30calculatrice autorisée

  1. Atome, molécule ou ion ?Difficulté 1 sur 3
  2. Écrire la formule d’un solide ioniqueDifficulté 2 sur 3
  3. Lire un modèle de l’atomeDifficulté 1 sur 3
  4. Un tableau à compléterDifficulté 1 sur 3
  5. Les trois isotopes de l’hydrogèneDifficulté 1 sur 3
  6. Des atomes aux ions monoatomiquesDifficulté 2 sur 3
  7. Masse d’un atome de carbone et nombre d’atomesDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

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Application : atomes, ions et éléments dans la vie quotidienne

6 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

  1. L’étiquette d’une eau minéraleDifficulté 2 sur 3
  2. Le fer dans le sangDifficulté 2 sur 3
  3. Une canette en aluminiumDifficulté 2 sur 3
  4. Combien d’ions dans un grain de sel ?Difficulté 2 sur 3
  5. Si le noyau était une bille…Difficulté 2 sur 3
  6. L’iode en médecineDifficulté 2 sur 3
3

Contrôle A

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Entités chimiques, composition de l’atome, isotopes, masse et taille de l’atome

Durée : 1 hcalculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions à choix multiples5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Une chaîne en or4 ptsDifficulté 1 sur 3
  3. Le carbone 14 et la datation7 ptsDifficulté 2 sur 3
  4. Du noyau au grain de sable4 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Contrôle B

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Modèle de l’atome, ions et électroneutralité, isotopes, nombre d’atomes

Durée : 1 hcalculatrice autorisée5 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Vrai ou faux ?5 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. L’expérience de Rutherford5 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Le combustible des centrales nucléaires4 ptsDifficulté 3 sur 3
  4. Un complément alimentaire au magnésium3 ptsDifficulté 2 sur 3
  5. Deux ions mystères3 ptsDifficulté 3 sur 3
5

Approfondissement

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Pour aller plus loin : taille de l’atome, matière nucléaire, isotopes, charges

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

  1. Enquête sur des ions polyatomiquesDifficulté 3 sur 3
  2. Estimer la taille d’un atome d’orDifficulté 3 sur 3
  3. La matière nucléaire (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  4. Le chlore, un mélange d’isotopesDifficulté 3 sur 3
  5. Le deutérium des océansDifficulté 3 sur 3
  6. Le défaut de masse (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  7. Un ballon électriséDifficulté 3 sur 3
6

Devoir bilan

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Synthèse des chapitres 1 à 3 : mélanges, solutions aqueuses, atomes et ions

Durée : 1 h 30calculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours et automatismes5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Du cuivre à la bouillie bordelaise8 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Le sel de la mer7 ptsDifficulté 2 sur 3

Seconde · Physique-chimie : les 17 chapitres

  1. Corps purs et mélanges
  2. Solutions aqueuses
  3. De l’atome à l’élément chimique
  4. Cortège électronique et tableau périodique
  5. Vers des entités plus stables : ions et molécules
  6. Quantité de matière : la mole
  7. Transformations physiques
  8. Transformations chimiques
  9. Synthèse d’une espèce chimique
  10. Transformations nucléaires
  11. Décrire un mouvement
  12. Modéliser une action : forces
  13. Principe d’inertie
  14. Émission et perception d’un son
  15. Lumière : propagation, spectres et réfraction
  16. Lentilles minces convergentes et modèle de l’œil
  17. Signaux et capteurs