Les atomes et les ions

Q: Qu'est-ce que le numéro atomique Z ?

Le numéro atomique Z est le nombre de protons contenus dans le noyau d'un atome. Il identifie l'élément chimique, et comme l'atome est neutre, il donne aussi son nombre d'électrons.

Q: Quels ions polyatomiques faut-il connaître en 3AC ?

Cinq : l'ion hydroxyde HO⁻, l'ion sulfate SO₄²⁻, l'ion nitrate NO₃⁻, l'ion carbonate CO₃²⁻ et l'ion ammonium NH₄⁺.

Un atome est une particule électriquement neutre, constituée d'un noyau contenant des protons et des neutrons, autour duquel se déplacent des électrons. Un ion est un atome, ou un groupe d'atomes, qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, et qui porte donc une charge électrique. Ce chapitre explique comment on passe de l'un à l'autre, et pourquoi cette transformation explique presque toute la chimie du programme de 3ème année collège.

Mis à jour le 16 août 2026

Je retiens

L'atome est constitué d'un noyau (protons chargés positivement et neutrons neutres) autour duquel se déplacent des électrons chargés négativement.
Dans un atome, nombre de protons = nombre d'électrons : l'atome est électriquement neutre.
Le numéro atomique $Z$ est le nombre de protons ; il identifie l'élément et donne aussi le nombre d'électrons de l'atome.
Un ion est un atome ou un groupe d'atomes ayant perdu ou gagné des électrons ; le noyau n'est jamais modifié.
Un atome qui perd des électrons donne un cation ( ${Na}^{+}$ , ${Mg}^{2 +}$ , ${Al}^{3 +}$ ) ; un atome qui en gagne donne un anion ( ${Cl}^{-}$ , $O^{2 -}$ ).
Les ions polyatomiques à connaître sont ${HO}^{-}$ , ${SO}_{4}^{2 -}$ , ${NO}_{3}^{-}$ , ${CO}_{3}^{2 -}$ et ${NH}_{4}^{+}$ .
Toute solution ionique est électriquement neutre : les charges des cations compensent celles des anions.

Un atome devient un ion lorsqu'il perd ou gagne un ou plusieurs électrons. Programme de physique-chimie de 3AC, semestre 1.

À la fin de ce chapitre, vous saurez

Décrire la structure d'un atome et nommer ses constituants
Expliquer pourquoi un atome est électriquement neutre
Utiliser le numéro atomique $Z$ pour déterminer la composition d'un atome
Écrire la formule d'un cation et d'un anion à partir de l'atome correspondant
Reconnaître les ions polyatomiques les plus courants du programme

PrérequisLa notion de molécule et d'atome vue en 2AC · Les symboles chimiques des éléments courants · La notion de charge électrique positive et négative

La structure de l'atome

Définition

Atome : L'atome est la plus petite particule d'un élément chimique. Il est formé d'un noyau central, chargé positivement, autour duquel se déplacent des électrons, chargés négativement.

Le noyau lui-même est constitué de deux sortes de particules, appelées nucléons : les protons, chargés positivement, et les neutrons, qui ne portent aucune charge. Presque toute la masse de l'atome est concentrée dans ce noyau, alors que celui-ci occupe une part infime du volume total : l'atome est essentiellement vide.

Particule	Localisation	Charge électrique	Masse
Proton	Noyau	Positive ( $+ e$ )	Élevée
Neutron	Noyau	Nulle	Élevée
Électron	Autour du noyau	Négative ( $- e$ )	Très faible, négligeable

e

désigne la charge élémentaire : proton et électron portent la même charge, de signes opposés.

Propriété

Neutralité électrique de l'atome

Dans un atome, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Les charges positives et négatives se compensent exactement : l'atome est électriquement neutre.

Un atome devient un ion lorsqu'il perd ou gagne un ou plusieurs électrons. Programme de physique-chimie de 3AC, semestre 1.

Le numéro atomique et le symbole

Définition

Numéro atomique : Le numéro atomique, noté $Z$ , est le nombre de protons contenus dans le noyau de l'atome. Il identifie l'élément chimique : deux atomes de même $Z$ appartiennent au même élément.

Remarque

Comme l'atome est neutre, $Z$ donne aussi directement le nombre d'électrons de l'atome. C'est la raison pour laquelle une seule donnée suffit à décrire sa charge.

Élément	Symbole	$Z$	Nombre d'électrons
Hydrogène	$H$	1	1
Carbone	$C$	6	6
Oxygène	$O$	8	8
Sodium	$Na$	11	11
Magnésium	$Mg$	12	12
Aluminium	$Al$	13	13
Chlore	$Cl$	17	17
Fer	$Fe$	26	26
Cuivre	$Cu$	29	29
Zinc	$Zn$	30	30

Les dix éléments qui reviennent le plus souvent dans les exercices de 3AC. Le symbole s'écrit avec une majuscule, suivie le cas échéant d'une minuscule.

Lire un numéro atomique

L'atome de sodium a pour numéro atomique $Z = 11$ . Donner sa composition.

$Z = 11$ : le noyau contient donc 11 protons.
L'atome est électriquement neutre, donc il possède aussi 11 électrons.
La charge totale vaut $11 \times (+ e) + 11 \times (- e) = 0$ : la neutralité est bien vérifiée.

Comment se forme un ion ?

Définition

Ion : Un ion est un atome, ou un groupe d'atomes, qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il n'est plus électriquement neutre : il porte une charge électrique globale.

Propriété

Cations et anions

Un atome qui perd des électrons devient un cation, chargé positivement. Un atome qui gagne des électrons devient un anion, chargé négativement.

Attention

Seuls les électrons sont échangés. Le noyau, lui, n'est jamais modifié : le nombre de protons reste le même, donc l'élément chimique reste le même. Un ion sodium ${Na}^{+}$ est toujours du sodium.

Méthode

Écrire la formule d'un ion

Partir du symbole de l'atome, par exemple $Na$ .
Compter les électrons perdus (charge positive) ou gagnés (charge négative).
Écrire ce nombre en exposant, à droite du symbole, suivi du signe : ${Na}^{+}$ , ${Mg}^{2 +}$ , ${Cl}^{-}$ .
Ne jamais écrire le chiffre $1$ : on écrit ${Na}^{+}$ et non ${Na}^{1 +}$ .

Formation d'un cation

L'atome de magnésium ( $Z = 12$ ) perd 2 électrons. Déterminer la formule et la composition de l'ion obtenu.

L'atome possède 12 protons et 12 électrons.
Après la perte de 2 électrons, il reste 12 protons et 10 électrons.
Il y a deux charges positives en excès : l'ion s'écrit ${Mg}^{2 +}$ .
C'est un cation, car sa charge globale est positive.

Formation d'un anion

L'atome de chlore ( $Z = 17$ ) gagne 1 électron. Déterminer la formule de l'ion obtenu.

L'atome possède 17 protons et 17 électrons.
Après le gain d'un électron, il possède 17 protons et 18 électrons.
Il y a une charge négative en excès : l'ion s'écrit ${Cl}^{-}$ .
C'est un anion, appelé ion chlorure.

Nom de l'ion	Formule	Type	Électrons échangés
Ion hydrogène	$H^{+}$	Cation	1 perdu
Ion sodium	${Na}^{+}$	Cation	1 perdu
Ion magnésium	${Mg}^{2 +}$	Cation	2 perdus
Ion aluminium	${Al}^{3 +}$	Cation	3 perdus
Ion fer II	${Fe}^{2 +}$	Cation	2 perdus
Ion fer III	${Fe}^{3 +}$	Cation	3 perdus
Ion chlorure	${Cl}^{-}$	Anion	1 gagné
Ion oxyde	$O^{2 -}$	Anion	2 gagnés

Les ions monoatomiques du programme de 3AC. Le fer donne deux ions différents, d'où les appellations « fer II » et « fer III ».

Les ions polyatomiques

Un ion n'est pas toujours issu d'un seul atome. Un groupe d'atomes liés entre eux peut lui aussi porter une charge globale : on parle alors d'ion polyatomique. Ces ions se comportent comme une seule entité et ne se dissocient pas en solution.

Nom de l'ion	Formule	Type
Ion hydroxyde	${HO}^{-}$	Anion
Ion sulfate	${SO}_{4}^{2 -}$	Anion
Ion nitrate	${NO}_{3}^{-}$	Anion
Ion carbonate	${CO}_{3}^{2 -}$	Anion
Ion ammonium	${NH}_{4}^{+}$	Cation

Les cinq ions polyatomiques exigibles en 3AC. L'ion hydroxyde est aussi noté

{OH}^{-}

: les deux écritures sont acceptées.

Remarque

L'ion hydroxyde ${HO}^{-}$ et l'ion hydrogène $H^{+}$ gouvernent tout le chapitre suivant, celui des solutions acides et basiques : une solution acide contient un excès d'ions $H^{+}$ , une solution basique un excès d'ions ${HO}^{-}$ .

Pourquoi une solution ionique est-elle électriquement neutre ?

Une solution ne contient jamais un seul type d'ion. Les cations et les anions y sont présents en quantités telles que la somme des charges positives compense exactement la somme des charges négatives. C'est pour cette raison qu'une bouteille d'eau salée ne délivre aucun choc électrique.

Neutralité d'une solution

Une solution de chlorure de magnésium contient des ions ${Mg}^{2 +}$ et des ions ${Cl}^{-}$ . Dans quelle proportion ?

Chaque ion ${Mg}^{2 +}$ apporte 2 charges positives.
Chaque ion ${Cl}^{-}$ apporte 1 charge négative.
Pour compenser un ion magnésium, il faut donc deux ions chlorure.
La solution contient deux fois plus d'ions chlorure que d'ions magnésium.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un atome et un ion ?

Un atome est électriquement neutre : il contient autant de protons que d'électrons. Un ion est un atome, ou un groupe d'atomes, qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons ; il porte donc une charge électrique globale, positive pour un cation et négative pour un anion.

Qu'est-ce que le numéro atomique Z ?

Le numéro atomique

Z

est le nombre de protons contenus dans le noyau d'un atome. Il identifie l'élément chimique, et comme l'atome est neutre, il donne aussi son nombre d'électrons.

Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?

Parce qu'il contient exactement autant de protons, chargés positivement, que d'électrons, chargés négativement. Un proton et un électron portent la même charge en valeur, de signes opposés : les deux se compensent exactement.

Comment savoir si un ion est un cation ou un anion ?

Il suffit de regarder le signe en exposant. Un ion dont la charge est positive, comme

{Na}^{+}

{Mg}^{2 +}

, est un cation : l'atome a perdu des électrons. Un ion dont la charge est négative, comme

{Cl}^{-}

, est un anion : l'atome en a gagné.

Est-ce que le noyau change quand un atome devient un ion ?

Non, jamais. Seuls les électrons sont perdus ou gagnés. Le nombre de protons ne varie pas, donc l'élément chimique reste le même : l'ion

{Na}^{+}

est toujours du sodium.

Quels ions polyatomiques faut-il connaître en 3AC ?

Cinq : l'ion hydroxyde

{HO}^{-}

, l'ion sulfate

{SO}_{4}^{2 -}

, l'ion nitrate

{NO}_{3}^{-}

, l'ion carbonate

{CO}_{3}^{2 -}

et l'ion ammonium

{NH}_{4}^{+}

Exercices corrigés

4 exercices classés du plus simple au plus difficile. Cherchez d'abord seul, puis révélez la correction rédigée étape par étape.

Exercice 1

Facile

Le noyau d'un atome d'aluminium contient 13 protons et 14 neutrons.

Donner le numéro atomique $Z$ de l'aluminium.
Combien d'électrons cet atome possède-t-il ? Justifier.
Combien de nucléons son noyau contient-il ?

Correction

1. Le numéro atomique est le nombre de protons, donc $Z = 13$ .

2. L'atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons que de protons, soit 13 électrons.

3. Les nucléons sont les protons et les neutrons réunis : $13 + 14 = 27$ nucléons.

Exercice 2

Facile

Donner la formule de l'ion formé dans chaque cas, et préciser s'il s'agit d'un cation ou d'un anion : a. un atome de sodium perd 1 électron ; b. un atome d'oxygène gagne 2 électrons ; c. un atome d'aluminium perd 3 électrons.

Correction

a. ${Na}^{+}$ , ion sodium. La perte d'électrons donne un cation.

b. $O^{2 -}$ , ion oxyde. Le gain d'électrons donne un anion.

c. ${Al}^{3 +}$ , ion aluminium. C'est un cation portant trois charges positives.

Exercice 3

Moyen

Une entité chimique contient 26 protons, 30 neutrons et 23 électrons.

S'agit-il d'un atome ou d'un ion ? Justifier.
De quel élément chimique s'agit-il ?
Écrire sa formule.

Correction

1. Le nombre de protons (26) est différent du nombre d'électrons (23) : l'entité n'est pas neutre, c'est donc un ion.

2. Le numéro atomique vaut $Z = 26$ : d'après le tableau du cours, il s'agit du fer. Le nombre de neutrons ne joue aucun rôle dans cette identification.

3. Il manque $26 - 23 = 3$ électrons, donc l'ion porte 3 charges positives : sa formule est ${Fe}^{3 +}$ , l'ion fer III.

Exercice 4

Difficile

Une solution de sulfate d'aluminium contient des ions aluminium ${Al}^{3 +}$ et des ions sulfate ${SO}_{4}^{2 -}$ .

Rappeler la condition de neutralité électrique d'une solution.
La solution contient $6 \times 10^{20}$ ions ${Al}^{3 +}$ . Combien contient-elle d'ions sulfate ?
En déduire le rapport entre le nombre d'ions sulfate et le nombre d'ions aluminium.

Correction

1. Une solution ionique est électriquement neutre : le nombre total de charges positives apportées par les cations est égal au nombre total de charges négatives apportées par les anions.

2. Chaque ion ${Al}^{3 +}$ apporte 3 charges positives, soit au total $3 \times 6 \times 10^{20} = 18 \times 10^{20}$ charges positives.

Chaque ion ${SO}_{4}^{2 -}$ apporte 2 charges négatives. Il faut donc $18 \times 10^{20} \div 2 = 9 \times 10^{20}$ ions sulfate.

3. Le rapport vaut $\frac{9 \times 10^{20}}{6 \times 10^{20}} = \frac{3}{2}$ : il y a trois ions sulfate pour deux ions aluminium, ce qui correspond à la formule ${Al}_{2} ({SO}_{4})_{3}$ .

À la fin de ce chapitre, vous saurez

La structure de l'atome

Le numéro atomique et le symbole

Comment se forme un ion ?

Les ions polyatomiques

Pourquoi une solution ionique est-elle électriquement neutre ?

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un atome et un ion ?

Qu'est-ce que le numéro atomique Z ?

Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?

Comment savoir si un ion est un cation ou un anion ?

Est-ce que le noyau change quand un atome devient un ion ?

Quels ions polyatomiques faut-il connaître en 3AC ?

Exercices corrigés

Comment se forme un ion ?

Pourquoi une solution ionique est-elle électriquement neutre ?

Quelle est la différence entre un atome et un ion ?

Qu'est-ce que le numéro atomique Z ?

Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?

Comment savoir si un ion est un cation ou un anion ?

Est-ce que le noyau change quand un atome devient un ion ?

Quels ions polyatomiques faut-il connaître en 3AC ?