Notas Ciencias Integradas II 2012

Ciencias Integradas Sección 211. II 2012

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Notas Definitiva página 1

Notas Definitivas página 2

La Neurodidáctica y la Química

Concentraciones de Soluciones

CONCENTRACIONES :

Para expresar la composición de la solución se utilizan unidades como: porcentaje en masa (%m/m), porcentaje masa – volumen (% m/v),  porcentaje Volumen – volumen (% v/v), molalidad (m) y molaridad (M).

Porcentaje en masa (٪m/m): Corresponde a la relación porcentual entre la masa del soluto disuelto y la masa de la disolución expresada en gramos.

٪m/m  =    Masa de soluto  × 100 
                  Masa de la solución

Porcentaje en volumen (٪v/v): Indica la relación porcentual del volumen del soluto disuelto respecto al volumen de la disolución expresadas ambas en mililitros.

٪ v/v =    Volumen de soluto  × 100 
                 Volumen de la solución
   
Porcentaje masa en volumen (٪m/v): Corresponde a la relación porcentual entre la masa del soluto (en gramos) y el volumen de la disolución (mililitros).

٪m/v  =    masa de soluto  × 100  
               Volumen de la solución

1.- Porcentaje de masa de soluto en masa de solución, % m/m: Representa la cantidad en gramos de soluto que hay en 100 gramos de solución.

                                      masa de soluto
% m/m =               _____________________                 X  100 %                  (1)

                                         masa de soluto + disolvente

Ejemplo: Se disuelven 50.0 gramos de alcohol etílico (CH3CH2OH) en 150.0 g de agua. ¿Cuál es el porcentaje en masa de la solución?

Respuesta: De acuerdo a la expresión (1), la relación se completa como sigue:

                             50.0 g CH3CH2OH

                               % m/m =    ____________________    X 100 % = 25.0 %      

                                                   (150.0 + 50.0) g solución

Finalmente la concentración de la solución:  [c] = 25.0 % m/m.

Ejercicios:

1.1.- Una solución de ácido clorhídrico (HCl) acuosa, tiene una concentración de 37.9 % m/m. ¿Cuántos gramos de esta solución contendrán 5.0 g de ácido clorhídrico?.             (Rsta: 13.2 g).

1.2.- Se desea preparar una solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 19 % m/m, cuyo volumen sea de 100 mL (la densidad de la solución es de 1.09 g/mL). ¿Cuántos gramos de agua y de NaOH se deben usar?. (Rsta: 20.7 g de NaOH y 79.3 g de agua).

1.3.- ¿Qué concentración en % m/m tendrá una solución preparada con 20.0 g de NaCl (cloruro de sodio, sal común) y 200.0 g de agua?. (Rsta: 9.09 % m/m).

1.4.- Se requieren 30.0 g de glucosa para alimentar a una rata de laboratorio. Si se dispone de una solución de glucosa (C6H12O6)al 5.0 % m/m, ¿Cuántos gramos de esta solución serán necesarios para alimentar a las ratas?. (Rsta: 600 g).

1.5.- Una solución acuosa es de 35.0 % m/m ¿Cuánta agua hay que agregar a 80.0 g de esta solución para que se transforme en una de 20.0 % m/m?. (Rsta: 60.0 g de agua).

2.- Porcentaje de masa de soluto en volumen de solución, % m/v : Expresa la cantidad en gramos de soluto que hay en 100 mL de solución.

          masa soluto

% m/v = __________________        X 100 %               (2)

                   volumen solución

 Ejemplo: Se mezcla 30.0 g de Cloruro de potasio (KCl) en agua, formándose una solución de 150 mL. ¿Cuál es la concentración porcentual de masa en volumen de la solución?.

Respuesta: De acuerdo a la expresión (2), se debe reemplazar la masa de soluto y el volumen total de la solución obtenida:

                                                       30.0 g KCl

                                   % m/v = ______________ X 100 %     =  20.0 %                                                                                
                                                    150 mL solución

                     Finalmente la concentración de la solución:  [c] = 20.0 % m/v.

Ejercicios:

2.1.- Se prepara una solución acuosa con 55.0 g de KNO3 (nitrato de potasio), disolviendo la sal hasta completar 500 mL de solución. Calcule su concentración en % m/v.         (Rsta: 11.0 % m/v).

2.2.- Se obtiene una solución de [c] = 33.5 % m/v.

a)    ¿Qué significa 33.5 % m/v?

b)    ¿Qué densidad posee la solución si 100.0 mL de ella pesan 111.0 g?              (Rsta: 1.11 g/mL).

c)    ¿Cuántos gramos de soluto habrá en 40.0 mL de solución? (Rsta: 44.4 g).

d)    Si se agrega agua a estos 40.0 mL de solución hasta completar 100.0 mL.      ¿Cuál será el % m/v de la solución resultante?. (Rsta: 13.4 % m/v).

2.3.- Se mezclan 40.0  mL de una solución de CuSO4 (sulfato de cobre), cuya concentración es de 67.0 % m/v, con 60.0 mL de otra solución de la misma naturaleza, cuya concentración es de 25.0 % m/v. ¿cuál es la concentración de la nueva solución obtenida de la mezcla?. (Rsta: 41.8 % m/v).

2.4.- Al mezclar 13.5 g de NaOH con 56.8 g de agua se obtiene una solución cuya densidad es de 1.15 g/mL. Determine el % m/v de la solución resultante. (Rsta: 22.1 % m/v).

2.5.- En una reacción química se producen 350 mg de clorhidrato de anilina (C6H8NCl). Si las aguas madres alcanzan un volumen de 150.0 mL, ¿cuál será la concentración del clorhidrato en la solución resultante de la reacción?. (Rsta: 0.23 % m/v).

3.- Porcentaje de volumen de soluto en volumen de solución, % v/v: Expresa los cm3 o mL de soluto que hay en 100 cm3 o mL de solución. Se utiliza para determinar la concentración de una solución formada por solutos y disolventes líquidos.

                 volumen soluto

% v/v =     ______________________            X 100 %         (3)

                 volumen soluto + disolvente

Ejemplo: Se disuelven 50.0 mL de alcohol etílico (CH3CH2OH) en 150.0 mL de agua. ¿Cuál es el porcentaje en volumen de la solución?

Respuesta: De acuerdo a la expresión (3), la relación se completa como sigue:

                             50.0 mL CH3CH2OH                       

                                      % v/v =  ____________________  X 100 % =  25 %      

                                               (150.0 + 50.0) mL solución

Finalmente la concentración de la solución:  [c] =  25.0 % v/v.

Ejercicios:

3.1.- Se prepara una solución acuosa con 55.0 mL de metanol (CH3OH), cuyo volumen total es de 500 mL. Calcule su concentración en % v/v. (Rsta: 11.0 % v/v).

3.2.- Se obtiene una solución de [c] = 33.5 % v/v.

a)    ¿Qué significa 33.5 % v/v?

b)    ¿Qué densidad posee la solución si 100.0 mL de ella mazan 111.0 g?              (Rsta: 1.11 g/mL).

c)    ¿Cuántos mL de soluto habrá en 40.0 mL de solución? (Rsta: 13.4 mL).

d)    Si se agrega agua a estos 40.0 mL de solución hasta completar 150.0 mL. ¿Cuál será el % v/v de la solución resultante?. (Rsta: 8.93 % v/v).

3.3.- A partir de una solución acuosa de alcohol etílico (CH3CH2OH) al 65.0 % p/p, de densidad 1.35 g/mL, se debe preparar otra solución, cuya concentración sea 12.0 % v/v del alcohol. Las densidades del agua y del alcohol etílico son respectivamente 1.00 g/mL y 0.79 g/mL. Determine el volumen de la solución alcohólica de la que se dispone,  para obtener 100 mL de la solución deseada. (Rsta: 10.8 mL).

PESO MOLECULAR

Del latín pensum, el peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo. El término también se utiliza para referirse a la magnitud de dicha fuerza. La masa, por otra parte, es la magnitud física que expresa la cantidad de materia que contiene un cuerpo.

Esa es la diferencia entre el peso y la masa. La masa no depende de la posición del cuerpo en el espacio ni de la fuerza gravedad. El kilogramo y el newton son las unidades en el sistema internacional de unidades del peso y la masa, respectivamente.

Esta diferenciación entre ambos conceptos implica que la noción de peso molecular sea imprecisa. Lo correcto es hablar de masa molecular, una magnitud que se mide en unidades de masa atómica (uma)

 Calcule la masa molar de los siguientes compuestos.
KOH (hidróxido de potasio)

K	1 x 39.10 =	39.10
O	1 x 16.00 =	16.00
H	1 x 1.01 =	1.01 +
		56.11 g

Cu3(PO4)2 (sulfato de cobre II)

Cu	3 x 63.55 =	190.65
P	2 x 30.97 =	61.04
O	8 x 16 =	128 +
		379.69 g

Al2(SO3)3 (sulfito de aluminio)

Al	2 x 26.98 =	53.96
S	3 x 32.06 =	96.18
O	9 x 16 =	144 +
		294.14 g

En el caso de los compuestos también podemos establecer una relación entre moles, moléculas y masa molar.

1 MOL = 6.022 x1023 MOLÉCULAS = MASA MOLAR (gramos)

Ejemplos:
¿Cuántas moles de NaOH (hidróxido de sodio) hay en 1.0 Kg de esta sustancia?
En primer lugar debemos calcular la masa molar del NaOH 

Na	1 x 22.99 =	22.99
O	1 x 16.00 =	16.00
H	1 x 1.01 =	1.01 +
		40.00 g

La secuencia de conversión sería:

1.00 Kg NaOH

(

1000 g  1 Kg

)

= 1000 g NaOH

1000 g NaOH

(

1 mol 40.00 g

)

= 25.0 mol NaOH

¿Cuál es la masa de 5.00 moles de agua?
Calculamos la masa molar del H2O.

H	2 x 1.01 =	2.02
O	1 x 16 =	16 +
		18.02g

MORALIDAD

Molaridad (M): La molaridad se define como el número de moles de soluto que se encuentra disueltos en un litro de solución. La fórmula general es:

Molaridad =    moles de soluto     o              M  =  n
                     Litro de solución                            V

Una propiedad intensiva importante de las sustancias es la densidad, que se define como la cantidad de masa en una unidad de volumen, por lo que permite conocer la masa de un volumen determinado de sustancia y viceversa. La formula general es:

d =    masa   (g)
 Volumen (ml)

Se prepara una solución disolviendo 30.0 g de yoduro de potasio (KI) en agua hasta completar 100 mL (0.100 L) de solución. Determinar la molaridad de la solución.

Respuesta: De acuerdo a la expresión (4) se debe calcular la cantidad de materia o mol de KI que constituyen 30 0 g de la sal. Lo primero es determinar la Masa molecular o Masa molar del KI (M_KI), observando la tabla periódica de los elementos químicos:

                     M_KI = masa atómica del K (M_k) + masa atómica del I (M_I)

                     M_KI = 39.102 g/mol + 126.904 g/mol = 166.006 g/mol

                     Esto quiere decir que un mol de KI masa 166.006 g. Por lo tanto, para calcular la cantidad de moles que constituyen 30.0 g de KI :

                          masa KI              30.0 g KI

 n° moles KI =                   =                 =  0.181 mol KI

                              M_KI                   166.006 g

Entonces para calcular la molaridad utilizando la expresión (4):

  

              0.181 mol de KI

 M =                                          = 1.81 M

              0.100 L

Finalmente la concentración molar de la solución es: [c] = 1.81 M

Ejercicios :

4.1.- ¿Cuál es la concentración molar de una solución de HCl (ácido clorhídrico) que contiene 73.0 g de soluto en 500 cm³ de solución?. Dato: 1.0 cm³ = 1.0 mL. (Rsta: 4.0 M).

4.2.- Calcule el número de mol de soluto en las siguientes soluciones:

a)    2.5 L de BaCl₂ (cloruro de bario), 2.0 M. (Rsta: 5.0 mol).

b)    5.0 L de NaI (yoduro de sodio), 0.53 M. (Rsta: 2.65 mol).

4.3.- 3.50 L de una solución, contienen 41.7 g de MgCl₂ (cloruro de magnesio). Calcule la molaridad de esta solución. (Rsta: 0.125 M).

4.4.- Se dispone de dos frascos que contienen respectivamente una disolución 0.75 M de ácido sulfúrico (H₂SO₄) y 3.00 M de ácido sulfúrico, ¿Qué volumen habrá que emplear de c/u sin añadir agua, para obtener 0.120 L de solución 1.5 M. Suponga que hay aditividad de soluciones. (Rsta: 0.08 L y 0.04 L, respectivamente).

4.5.- Se desea preparar 500 mL de solución de ácido clorhídrico (HCl) 0.10 M a partir de un ácido comercial cuya densidad es 1.19 g/mL y su concentración 37.0 %p/p. Calcule el volumen del ácido que necesite para preparar esta solución. (Rsta: 4.17 x 10^-3 L).

Intensivo 2012

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EJERCICIOS DE NOMENCLATURA DE COMPUESTOS ORGÁNCOS

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ALCANOS 100CIA QUIMICA :

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/hidro1.htm

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ALQUENOS 100CIA QUIMICA  :

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ALQUINOS

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http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/hidro7.htm

CICLICOS

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/hidro8.htm           

ALCOHOLES

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/oxig1.htm

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/oxig2.htm 

                                                                           

HALOGENUROS

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/hidro12.htm 

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/hidro13.htm 

ALDEHIDOS

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http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/oxig6.htm

CETONAS

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/oxig7.htm

http://www.100ciaquimica.net/fororg/ejer/oxig8.htm

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

Estos compuestos se caracterizan por poseer en su estructura al grupo funcional carboxilo (carbonilo+hidroxilo). Con frecuencia se usan nombres históricos para los ácidos carboxílicos: el ácido fórmico se aisló por primera vez de las hormigas del género Formica. El ácido acético que se encuentra en el vinagre, toma su nombre de la palabra acetum, “ácido”. El ácido propiónico da el aroma penetrante a algunos quesos y el ácido butírico da el olor repulsivo de la mantequilla rancia.  

                                          

El ácido fórmico se utiliza como conservador en la industria cervecera y vitivinícola. Se emplea en el teñido de telas y en curtiduría.

El ácido acético (vinagre) es el más usado. Se emplea para preparar acetona, rayón, solvente de lacas y resinas. Con el ácido salícilico forma la aspirina.

Los ácidos carboxílicos abundan en la naturaleza y tienen basta aplicación industrial, el ácido acético, componente ácido principal del vinagre es el mas utilizado en la industria; es utilizado como disolvente y en la fabricación de plásticos, gomas, medicamentos  y una gran variedad de compuestos orgánicos. El ácido cítrico es el que proporciona la acidez a los cítricos y se usa ampliamente para acidular bebidas. Podemos encontrar otros muchos ejemplos de la ocurrencia de estos ácidos en la naturaleza. En adición, los derivados de los ácidos carboxílicos, particularmente los ésteres y la amidas, están ampliamente distribuidos naturalmente y son de gran importancia e interés debido a sus funciones y usos.

ALCOHOLES

Los alcoholes son compuestos orgánicos que poseen el grupo hidroxilo (-OH) en su estructura.

Al igual que los haluros de alquilo, los alcoholes también pueden clasificarse en primarios, secundarios o terciarios, según el tipo de carbono al que se une el grupo hidroxilo. Se trata de compuestos muy polares debido a la presencia del grupo hidroxilo. Son compuestos orgánicos muy comunes: el metanol, por ejemplo, se emplea como disolvente industrial y combustible en los coches de carreras.

Nomenclatura de Alcoholes

Nomenclatura de Alcoholes 

El punto de fusión y ebullición de los alcoholes, como en los hidrocarburos, crece con el aumento del tamaño de la molécula.

En términos generales los alcoholes con 12 o menos átomos de carbono en la estructura son líquidos a temperatura ambiente, ya con mas de 12 son sólidos.

La solubilidad en agua, se reduce con el aumento del peso molecular, de esta forma, el metanol, etanol y propinol son solubles en agua en cualquier proporción, a partir de 4 o mas átomos de carbono la solubilidad comienza a disminuir, es decir, a mayor peso molecular, menor solubilidad.

Clasificación de los Alcoholes

Obtención de Alcoholes

Durante la destilación del petróleo se recuperan ciertas cantidades de mezclas de alcoholes en el rango C3 hasta C5, que se utilizan principalmente como materias primas para la producción de otros compuestos.
Se obtienen alcoholes diversos también como subproductos de procesos de síntesis de otros compuestos orgánicos.
Cantidades importantes de glicerina, un alcohol con tres grupos hidroxilo, se obtienen en la saponificación de lasgrasas naturales para la producción de jabón. La glicerina se usa extensamente en la preparación de cremas y productos cosméticos.
Durante la fermentación natural de soluciones dulces, (melazas o azúcares en agua, jugo de frutas dulces) se puede obtener una disolución de etanol hasta del 12% de concentración, que luego puede ser concentrada por destilación directa hasta el 95%. En condiciones especiales o con el uso de sales deshidratadoras puede incluso aumentarse la concentración hasta obtener etanol técnicamente puro.         

Los mostos, desechos de la destilación primaria para la separación del etanol, contienen diferentes tipos de alcoholes superiores y fenoles que pueden ser separados.
Del proceso de destilación seca de la madera para obtener carbón vegetal se pueden recuperar cantidades importantes de metanol, por este motivo el metanol se conoce también como alcohol de madera.

Los alcoholes primarios saturados de cadena recta en el rango C12 - C18, son muy importantes en la facturación de detergentes y se obtienen de la hidrogenación de las grasas naturales.

Alquinos

Orbitales de Alquino

Los alquinos, también llamados acetilenos, son hidrocarburos que contienen un triple enlace carbono-carbono. El propio etino (también llamado acetileno), HC≡CH, que es el alquino más simple, alguna vez fue ampliamente usado en la industria como materia prima para la elaboración de acetaldehído, ácido acético,cloruro de vinilo y otros productos en grandes cantidades, pero ahora son más comunes otros procesos más eficientes en los que se utiliza eteno como materia prima. Sin embargo el acetileno se emplea todavía en la producción de polímeros acrílicos, y se elabora industrialmente por descomposición a alta temperatura (pirólisis) de metano. Este método no es de utilidad general en el laboratorio.

Se han aislado una gran cantidad de compuestos acetilénicos naturales en el reino vegetal. Por ejemplo, el triino siguiente se aisló del cártamo, Carthamus tinctorius, y evidentemente forma parte de las defensas químicas de la planta contra la infección por nemátodos

Los alquinos a diferencia de los alquenos son muy reactivos, y pueden reaccionar con muchos agentes.

En general la química de los alquinos, y en especial la del acetileno, como componente mas abundante y barato, es compleja y peligrosa. Una importante parte de los compuestos producidos partiendo de este gas son sustancias explosivas. 

Usando ciertas condiciones, los alquinos pueden reaccionar con cationes metálicos para formar derivados metálicos sólidos (sales orgánicas). Con el sodio, potasio y litio forman compuestos estables en seco, pero que se descomponen al hidrolizarlos (agregar agua) regenerándose el alquino original. 

Sin embargo los derivados metáĺicos del cobre y la plata, se pueden manipular de manera segura solo cuando están húmedos, si están secos, son muy inestables y pueden descomponerse con violencia explosiva al ser golpeados.

Una mezcla de acetileno y cloro reacciona de manera explosiva al ser iluminada.

6-etil, 8-metil 3Nonino

8-etil, 9,9 dimetil 4-Decino

ALQUENOS

Alquenos

Los alquenos, son hidrocarburos que contienen al menos un enlace doble C=C.

Se denominan también olefinas.

La fórmula general de un alqueno de cadena abierta con un sólo doble enlace es C_nH_2n. Por cada doble enlace adicional habrá dos átomos de hidrógeno menos de los indicados en dicha fórmula.

Para poner orden a la denominación de los alquenos la IUPAC (en español, Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) acordó seleccionar la cadena más larga, presente en la molécula que contenga el enlace doble, y cambiar la terminación -ano, dada al alcanocorrespondiente por la terminación -eno. La posición del doble enlace en la cadena se señala con un número, contado a partir del extremo de la cadena más cercano a él.

Cuando hay mas de un doble enlace en la molécula, se utiliza la terminación -dieno (para dos dobles enlaces), -trieno (para tres) y así sucesivamente.

Por ejemplo: CH₂=CH₂ Eteno (Etileno); CH₃CH=CH₂ (Propeno o Propileno)

Hidrogenación

Los alquenos reaccionan con el hidrógeno de manera exotérmica (generando calor), pero esta reacción no es espontánea en condiciones normales. La adición de un catalizador adecuado, permite iniciar la reacción en condiciones razonables de temperatura (20 -150°C).

Esta reacción de hidrogenación permite obtener alcanos, partiendo de alquenos; lo que es, de hecho, una de las formas de sintetizarlos en el laboratorio.

Adición de halógenos

Cuando un alqueno entra en contacto en condiciones normales con cloro o bromo, un átomo de halógeno se agrega rápidamente al doble enlace carbono-carbono para formar un compuesto di-halogenado. Esta reacción se conoce como halogenación por adicción para diferenciarla de la halogenación pura, que es por sustitución.

Si la halogenación por adición se realiza en un medio que contiene sales inorgánicas tales como Cloruro de Sodio o Nitrato de sodio (NaCl, NaNO₃), tanto el ión Cl^- como el NO₃^- de las sales, pueden adicionarse a los enlaces dobles rotos y formar parte del producto final. Esta participación de los aniones salinos no se produce en ausencia de halógenos.

Adición de haluros de hidrógeno

Cuando se burbujea cloruro, bromuro o yoduro de hidrógeno en un alqueno, se produce la reacción de adición, y ambos componentes del haluro correspondiente encuentran un lugar en el producto final. Este proceso se conoce como hidrohalogenación.

Adición de ácido sulfúrico

Cuando se agrega ácido sulfúrico a un alqueno, se produce un efecto en el que pareciera que el alqueno se disuelve en el ácido, pero en realidad lo que sucede es que el ácido sulfúrico se agrega al doble enlace del alqueno, para producir un sulfato alquílico hidrogenado. El producto de la reacción es soluble en el ácido, por eso da la impresión de que el alqueno se ha disuleto.

Hidroxilación

La adición hipotética de los elementos del peróxido de hidrógeno, al doble enlace del alqueno se llama hidroxilación (HO-OH). El producto de estas reacciones son los alcoholes dihidróxicos o glicoles, productos de mucha utilización como disolventes, anti-congelantes y otras muchas aplicaciones. El peróxido de hidrógeno (por sí mismo) no se agrega a los alquenos como se muestra, pero el proceso general se desarrolla en presencia de ciertos agentes, como el permanganato de potasio.

Oxidación

En contraste con los alcanos que son inertes a agente oxidantes, los alquenos son fácilmente oxidados por el permanganato de potasio(KMnO₄) o el trióxido de cromo (CrO₃). Es común que los alquenos al interactuar con estos agentes se conviertan en productos que ya no pueden sufrir una oxidación posterior. La naturaleza de esos productos de oxidación depende en mucho de la estructura de los compuestos originales sujetos a la oxidación.

Polimerización

Un polímero es una molécula de alto peso molecular, producto del enlace de muchas unidades idénticas de estructura mas simple. El proceso de formación de polímeros se conoce como polimerización. La unidad estructural básica del polímero se llama monómero.

Los alquenos son susceptibles a polimerizarse, bajo la influencia de ciertos catalizadores que inducen un proceso de adición de unos a otros indefinidamente. Estos polímeros se denominan polialquenos.

Si el etileno se calienta a 100°C y presiones superiores a 15,000 psi en presencia de algo de oxígeno (0.01%), este se polimeriza en un material de carácter ceroso que se llama polietileno. El polietileno encuentra múltiples usos en la industria y la vida doméstica, como aisladores, botellas, juguetes etc. No solo el etileno puede polimerizarse, otros monómeros mas complejos también, dando lugar a un enorme campo industrial que cada día se desarrolla más.

Al igual que ocurre con otros compuestos orgánicos, algunos alquenos se conocen todavía por sus nombres no sistemáticos, en cuyo caso se sustituye la terminación -eno sistemática por -ileno, como es el caso del eteno que en ocasiones se llama etileno, o propenopor propileno.