Drew, when the numeral changes its form, the noun has the same case as the numeral. 
And it is in plural unless the numeral is 1, 21, 131 etc.

состоит из двух атомов .... четырёх... пяти 
принадлежит двум атомам ....четырём... пяти
встретил двух девушек.... четырёх... пять (пятерых),  встретил одну девушку
с двумя атомами... четырьмя... пятью
рассказывал о двух атомах. ... четырёх... пяти

двадцатью одним атомом.

When the numeral is in its nominative form (два, три, четыре) then the noun is singular for 2, 3 and 4.

The sentence is perfectly correct. Here, you must use the word "атом" and its plural form "атомы" in the Genitive case. And it's "атома" for "атом", and "атомов" for "атомы". The same with your following sentence by the way. You must use the Genitive case there as well. So, it must be: "..когда число атомов водорода..".