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第六章分子的结构和性质

6.1键参数

6.2价键理论

目的要求:

1.了解键能、键长、键角等键参数;

2.掌握价键理论;

3.掌握共价键的特点、类型;

4.了解离子键的特点。

重点、难点:

掌握价键理论;掌握共价键的特点和类型。

作业:

1.P1932

(1)、

(2)

2.P1954

教学内容:

6.1键参数

一、键能

1.键参数的含义:

能表征化学键性质的量称为键参数。

主要有键能、键长、键角等。

2.键能:

(1)含义:

近似为气体分子每断裂单位物质的量的某键(6.022×1023个化学键)时的焓变。

(2)意义:

键能是衡量化学键牢固程度的键参数,键能越大,键越牢固。

思考:

N2与H2(150—300atm、铁催化剂和400—5000C)和F2与H2(低温避光即可)反应的条件为什么差别很大?

(提示:

从化学反应的实质是旧键的断裂与新键的形成方面考虑)

(3)计算:

双原子分子:

键能等于键解离能(D)

多原子分子:

键能等于同种键逐级解离能的平均值。

二、键长

1.含义

分子内成键两原子核间的平衡距离,用Lb表示。

可用分子光谱或X射线衍射方法测得。

2.决定因素:

(1)内因:

成键原子的本性

(2)外因:

相同原子形成不同类型化学键时具有不同的键长

3.意义:

相同原子形成不同化学键时,键长越短,键能越大,键越稳定。

三、键角

1.含义:

在分子中两个相邻化学键之间的夹角。

可用分子光谱和X射线衍射实验测得。

2.意义:

根据分子内全部化学键的键长和键角数据,可确定分子的几何构型。

列举几种化合物的键参数与几何构型

6.2价键理论

一、共价键

1.共价键的形成

原子间由于成键电子的原子轨道重叠而形成的化学键。

2.价键理论(★)

讲授方法:

结合第五章所学原子轨道的角度分布图讲解。

由于原子轨道(即波函数)有正负之分,所以在轨道重叠时(与波的干涉条纹明暗相间的特点结合)为了遵循最大重叠原理,需按一定的方向进行结合。

(1)理论基础

以相邻原子间电子相互配对为基础。

(2)理论要点

A.组成分子的两个原子必须具有未成对的电子,且它们的自旋反平行,即原子中的1个未成对电子只有以自旋状态反平行的形式与另一个原子中的1个未成对电子相遇时,才有可能配对成键。

所以共价键的数目受未成对电子数的限制,具有饱和性。

B.原子轨道相互重叠形成共价键时,原子轨道要对称性匹配,并满足最大重叠的条件。

即自旋方向相反的未成对电子相互接近时,必须考虑其波函数的正、负号,只有同号轨道(对称性匹配)才能实行有效的重叠

C.原子轨道重叠时,总是沿着重叠最大的方向进行,重叠部分越大,共价键越牢固,这就是原子轨道的最大重叠条件。

除s轨道外,其它轨道都有一定的空间取向,所以共价键具有方向性。

3.共价键的类型

(1)按照键的极性分:

A.极性共价键:

得失电子能力不同的原子间形成的共价键具有极性称极性共价键。

又分为强极性键(原子得失电子能力相差相对较大时)和弱极性键(原子得失电子能力相差相对较小时)。

B.非极性共价键:

得失电子能力相同的同种原子间形成的共价键。

(2)根据原子轨道重叠部分具有的对称性分:

A.σ键:

原子轨道沿两核连线方向以“头碰头”的方式进行重叠,轨道重叠部分沿着键轴(两核连线)呈圆柱形对称。

如s轨道之间的重叠,Px轨道之间的重叠等。

形成σ键的电子称为σ电子。

B.∏键:

原子轨道沿两核连线方向以“肩并肩”的方式进行重叠,重叠的部分对于通过键轴的一个平面具有镜面反对称(形状相同,符号相反)。

形成∏键的电子称为∏电子。

特点:

共价单键一般是σ键,在共价三键和双键中,除σ键外,还有∏键。

一般地,∏键没有σ键牢固,比较容易断裂,因为∏键不像σ键那样集中在两核的连线上,原子核对∏电子的吸引力较小,∏键中电子运动的自由性较大,故含双键或三键的化合物比较容易参加化学反应。

C.δ键:

凡是一个原子的d轨道与另一个原子相匹配的d轨道以“面对面”的方式重叠(通过键轴有两个节面)。

4.配位共价键

(1)含义:

凡共用电子对由一个原子单方面提供而形成的共价键称为配位共价键,简称配位键或配价键。

(以CO分子为例讲解)

(2)形成条件(★):

A.一个原子其价层有未共用的电子对,即孤电子对;

B.另一个原子其价层有空轨道。

(3)存在:

分子内、分子间、离子间及分子与离子间。

二、离子键

1.离子键

(1)含义:

电负性较小的活泼金属与电负性较大的活泼非金属元素的原子相互接近时,前者易失去电子变成正离子,后者易得到电子变成负离子,正、负离子由于静电引力易结合在一起形成化合物。

这种由正、负离子之间的静电引力形成的化学键称为离子键。

(2)性质:

无方向性和饱和性。

2.键型过渡

(1)键型的决定因素:

两原子吸引电子能力差别的大小,即电负性数值差值。

(2)键型过渡:

A.从离子键到非极性共价键(从共价键方面),可以看作:

强极性共价键(离子键)→弱极性共价键→非极性共价键

B.从离子键到共价键(从键型过渡方面),可以看作:

离子键(100%离子键成分)→强极性共价键(含有部分离子键成分)→弱极性共价键(含有很小部分离子键成分)→非极性共价键(不含离子键,只有共价键成分)

6.3分子的几何构型

6.4分子轨道理论

目的要求:

1.掌握杂化轨道理论;

2.掌握几种典型的杂化轨道类型;

3.会用杂化轨道理论解释分子的空间构型;

4.了解分子轨道理论的要点;

5.掌握分子轨道的类型并会用该理论解释推测分子的存在。

重点、难点:

重点掌握几种典型的杂化轨道类型和几种有代表意义的分子的空间构型的理论解释;掌握物质能否存在的推断方法。

作业:

1.P1884

2.P1908

3.网络平台作业:

P1934

教学内容:

6.3分子的几何构型

一、价键理论的局限性

难以解释一般多原子分子的价键形成和几何构型问题。

二、杂化轨道理论

与第五章中讲授的原子轨道数目及原子核外电子的排布规律相结合进行

1931年美国化学家鲍林在价键理论的基础上首先提出,1953年我国化学家唐敖庆等对杂化轨道理论进行了丰富。

1.理论要点:

(1)某原子成键时,在键合原子的作用下,价层中若干个能级相近的原子轨道有可能改变原有的状态,“混杂”起来并重新组合成一组利于成键的新轨道(即杂化轨道),这一过程称为原子轨道的杂化。

(2)同一原子中能级相近的n个原子轨道,组合后只能得到n个杂化轨道。

(3)杂化轨道比原来未杂化的轨道成键能力强,形成的化学键键能大,使形成的分子更稳定。

2.杂化类型与分子几何构型(★)

(1)sp杂化

①含义:

同一原子内由一个ns轨道和一个np轨道发生的杂化,称为sp杂化。

杂化后组成的轨道称为sp杂化轨道。

②形成轨道:

只能形成两个能量等同的sp杂化轨道

③分子几何构型:

直线型分子,键角为1800。

④实例:

Cl—Be—Cl,两个键Be—Cl的键长和键能都相等

(2)sp2杂化

①含义:

同一原子内由一个ns轨道和两个np轨道发生的杂化,称为sp2杂化。

杂化后组成的轨道称为sp2杂化轨道。

②形成轨道:

只能形成三个能量等同的sp2杂化轨道。

其中每个杂化轨道都含有1/3s轨道和2/3p轨道的成分

③分子几何构型:

平面三角形分子,键角为1200。

④实例:

BF3分子

(3)sp3等性杂化

①含义:

同一原子内由一个ns轨道和三个np轨道发生的杂化,称为sp3杂化。

杂化后组成的轨道称为sp3杂化轨道。

②形成轨道:

形成四个能量等同的sp3杂化轨道。

其中每个杂化轨道都含有1/4s轨道和3/4p轨道的成分

③分子几何构型:

正四面体型分子,键角为109028′。

④实例:

CH4分子。

(4)sp3不等性杂化

①含义:

同一原子内由一个ns轨道和三个np轨道发生的不等性杂化,称为sp3不等性杂化。

杂化后组成的轨道称为sp3杂化轨道。

②形成轨道:

形成含一个电子的sp3杂化轨道和有孤对电子的轨道。

所以这四个轨道不完全等同。

故称为不等性杂化。

③分子几何构型:

氨分子类型的为三角锥型(此类分子中心原子在杂化时只有一对孤对电子),水分子类型的为V型(此类分子中心原子在杂化时有两对孤对电子)。

④实例:

氨分子、水分子。

此部分内容是本章重点,要求学生掌握杂化类型并能用理论解释代表分子的几何构型

6.4分子轨道理论(强调分子的整体性)

列举实例从价键理论的局限性,说明分子轨道理论产生的必要性。

一、分子轨道的基本概念

分子轨道理论把组成分子的各原子核(在分子中各有一定的平衡位置)作为分子的骨架,所有电子按照相同的原理和规则分布在骨架附近的若干个分子轨道内,每个分子轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子,每个分子轨道都有各自相应的能量,电子填充等价分子轨道时,将尽先单个地分别占据不同的等价分子轨道,且自旋平行。

电子进入分子轨道后,若体系总能量有所降低,即能成键。

二、分子轨道的形成

1.组成:

由组成分子的各原子轨道组合而成。

分子轨道总数等于组成分子的各原子轨道数目的总和。

2.特点:

当原子形成分子后,电子不再局限于个别原子的原子轨道,而是从属于整个分子的分子轨道。

3.类型:

(1)s-s原子轨道的组合

1个原子的ns原子轨道与另一个原子的ns原子轨道组合成两个分子轨道。

一个是反键分子轨道,一个是成键分子轨道。

以H2分子为例讲解s-s原子轨道组合成的分子轨道的形成及电子的排布。

并写出分子轨道的表示方法。

(2)p-p原子轨道的组合

一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道组合成分子轨道,可以有“头碰头”和“肩并肩”两种方式。

根据p轨道的空间伸展方向不同,当不同的p原子轨道形成分子轨道时可形成对应的成键σ分子轨道和反键σ分子轨道或成键п分子轨道和反键п分子轨道,电子填充在能量较低的成键分子轨道内。

三、分子轨道的能量

1.能量的确定

通过光谱实验确定

2.轨道能级的顺序

结合原子核外电子排布时原子轨道的能级类比讲解。

四.分子轨道理论的应用

1.推测分子的存在和阐明分子的结构

(1)H2+分子离子(形成单电子σ键)与Li2分子(形成单σ键):

(2)Be2分子与Ne2分子:

由于体系的能量没有降低,所以推测它们不存在。

(3)He2分子与He2+分子离子(三电子σ键):

由于He2分子体系的能量没有降低,推测它不存在;而He2+分子离子的能量降低了,所以它是可以存在的。

2.描述分子的结构稳定性

3.预言分子的顺磁性与反磁性

以氧气分子为例讲解分子轨道理论在此方面的应用。

强调掌握氧气分子的价键结构式。

6.5分子间力和氢键

目的要求:

1.了解分子的极性和变形性;

2.掌握分子间力的类型及存在;

3.了解氢键的形成、存在及类型。

重点、难点:

掌握分子间力的类型及存在。

作业:

1.P19115

2.网络教学平台作业(思考题)

6.5分子间力和氢键

一、分子的极性和变形性

1.分子的极性

(1)非极性分子:

在分子中,正、负电荷各有一个“电荷中心”。

正、负电荷的中心重合的分子,称为非极性分子。

(2)极性分子

在分子中,正、负电荷中心不重合的分子称为极性分子。

(3)电偶极矩:

正、负电荷中心所带电量q与两中心距离d的乘积,称为电偶极矩。

它表示分子极性的大小。

电偶极矩越大,分子的极性越大,电偶极矩为0的分子为非极性分子。

(4)分子的极性与键的关系:

在多原子分子中,分子的极性与键的极性往往不一致。

如CH4中有四个极性键,但分子本身是非极性分子。

在双原子分子中,分子的极性与键的极性一致。

如HCl中只有一个极性键,此分子为极性分子,H2分子中只有一个非极性键,此分子为非极性分子。

2.分子的变形性

(1)诱导偶极(μ诱导)

①含义:

非极性分子在外电场作用下,原来重合的正、负电荷中心彼此分离,分子出现了偶极,称为诱导偶极。

电场越强,分子的变形越显著,诱导偶极越大。

②计算公式:

μ诱导=α.E

α—分子的诱导极化率,值越大,分子的变形性也越大,是由分子的本性决定的。

(2)固有偶极

①含义:

极性分子本身存在的偶极称为固有偶极或永久偶极。

②定向极化:

在外电场作用下,极性分子的正极一端转向负电荷,负极一端转向正电荷,即都顺着电场的方向整齐地排列,这一过程叫分子的定向极化。

并进一步产生诱导偶极。

(3)瞬间偶极

当非极性分子相互靠近时,由于电子、原子核的不停运动,正、负电荷中心不能总是保持重合,即发生分离,这时产生的偶极称为瞬间偶极。

二、分子间的相互作用力

1.分子间力的种类

(1)色散力:

由瞬间偶极之间的异极相吸而产生的分子间作用力。

与分子的变形性有关,分子的极化率越大,色散力也越强。

(2)取向力:

由固有偶极之间的作用产生的分子间力。

与温度和分子的极性强弱有关,温度越高,取向力越弱;分子的极性越大,取向力越强。

(3)诱导力:

诱导偶极与固有偶极之间产生的分子间力。

与分子的极性强弱和非极性分子的变形性有关,极性分子的极性越大,非极性分子的极化率越大,诱导力也越强。

2.分子间力的存在(★):

非极性分子与非极性分子之间只存在色散力,极性分子之间存在色散力、诱导力和取向力,极性分子与非极性分子之间存在色散力和诱导力。

3.分子间力的特点

(1)它是存在于分子间的一种电性作用力

(2)它是短程力,当分子间距离为分子本身直径的4~5倍时,作用力就可忽略不计。

(3)它的作用能一般为几到几十千焦每摩,但对共价型分子的物理性质影响很大。

(4)它一般没有方向性和饱和性

(5)三种力的相对大小一般是:

色散力﹥﹥取向力>诱导力

4.分子间力对物质物理性质的影响

(1)液态物质分子间力越大,汽化热越大,沸点越高;

(2)固态物质分子间力越大,熔化热越大,熔点越高;

(3)结构相似的同系列物质相对分子质量越大,熔点、沸点就越高;

(4)相对分子质量相等或近似而体积大的分子,有较高的熔点、沸点;

(5)溶质或溶剂的极化率越大,分子变形性和分子间力越大,溶解度越大;

(6)分子极性小的物质一般硬度不大,含有极性基团的物质一般具有一定的硬度。

三、氢键

1.氢键的形成(★)

氢原子与电负性大的X原子(如F、O、N等原子)以极性共价键相结合的同时,还能吸引另一个电负性较大而半径又较小的Y原子,其中X原子与Y原子可以相同也可以不同。

这种静电吸引作用力称为氢键。

通式为:

X—H……Y

氢键既具有方向性也具有饱和性(?

2.氢键的强度

一般都在42KJ.mol-1以下,与分子间力更为接近。

3.氢键形成对物质性质的影响

(1)熔、沸点:

有氢键存在时,物质的熔点、沸点比同系物中没有氢键的物质要高;

(2)溶解度:

在极性溶剂中,当溶质与溶剂间形成氢键,则溶质的溶解度增大;

(3)粘度:

分子间有氢键的物质,一般粘度较大;

(4)密度:

液体分子间存在氢键,会产生缔合现象,从而使物质的密度增大。

思考题:

1.在卤化氢中,各物质的熔点如下:

HF(-83.10C)、HCl(-114.80C)、HBr(-88.50C)、HI(-50.80C),解释原因。

为什么NH3在水中的溶解度较大,而PH3只微溶于

第七章固体的结构和性质

7.1晶体和非晶体

7.2离子晶体及其性质

7.3原子晶体和分子晶体

7.4金属晶体

目的要求:

1.了解晶体和非晶体的特征

2.掌握离子晶体及其性质

3.掌握原子晶体、分子晶体、金属晶体及其性质

4.会用所学理论解释某些物质的性质。

重点、难点:

重点掌握几种晶体类型的性质

作业:

1.P2214

2.P2226

3.网络平台作业

第七章固体的结构和性质

7.1晶体和非晶体

通过列举实例来比较晶体和非晶体的性质

一、晶体的特征

1.有一定的几何外形

晶体都有一定的几何外形而非晶体则没有,故非晶体又被称为无定形体。

2.有固定的熔点

晶体在熔解时有固定的温度,即晶体从开始熔解到完全熔解整个过程温度不变,熔解完全后温度才继续升高;而非晶体不同,在整个过程中温度一直在升高。

3.各项异性

一块晶体的某些性质,如光学性质、力学性质、导电导热性、机械强度等,从晶体的不同方向测定时,往往是不同的,称为各向异性。

而非晶体是各向同性的。

造成这种现象的原因是:

晶体内部的排列是有次序、有规律的,而这种规律性在不同的方向上往往是不同的,从而造成晶体的各向异性;而非晶体内部的排列是无次序的、不规律的。

二、晶体的内部结构

1.晶格

(1)结点与空间点阵:

晶体中规则排列的微粒抽象为几何学中的点,称为结点。

结点的总和称为空间点阵。

(2)晶格:

沿着一定的方向按某种规则把结点联结起来,可以得到描述各种晶体内部结构的几何图形—晶体的空间格子,称为晶格。

(3)立方晶格:

具有最简单的结构,有三种类型:

简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格。

2.晶胞:

在晶格中,能表现出其结构的一切特征的最小部分称为晶胞。

三、单晶体和多晶体

1.单晶体:

由一个晶核各向均匀生长而成的晶体,晶体内部的粒子基本上按照某种规律整齐排列。

单晶体各向异性。

2.多晶体:

由很多单晶颗粒杂乱地聚结而成的晶体。

多晶体表现为各向同性。

3.晶体的分类:

按晶格结点上粒子种类和粒子间作用力不同,晶体分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。

7.2—7.4晶体类型的比较(★)

通过列表比较各种晶体类型的性质,通过讲解,学生应掌握各种晶体的性质,能用所学理论解释一些具体晶体的性质。

一、晶体类型

性质

晶体类型

结点微粒

粒子间作用力及其性质

晶体性质

代表物质

离子晶体

阴、阳离子

离子键(阴阳离子间的静电引力)(无方向性和饱和性)

一般有较高的熔点和较大的硬度,延展性差,通常较脆。

NaCl、CsCl、ZnS等

原子晶体

原子

共价键(有方向性和饱和性)

熔点高、硬度大。

金刚石、金刚砂等

性质

晶体类型

结点微粒

粒子间作用力

性质

代表物质

分子晶体

分子

分子间力(包括氢键)(氢键有方向性和饱和性)

熔点低,硬度小,易挥发,不导电。

干冰、稀有气体等

金属晶体

金属原子、金属阳离子

金属键(金属原子间的作用力)(无方向性和饱和性)

有金属光泽,有良好的导电性、导热性和延展性,熔点、硬度相差较大。

Na、Hg等

二、金属键的能带理论

1.金属晶体块的大分子概念

任何一块金属晶体看作一个大分子,用分子轨道理论描述金属晶体内电子的运动状态。

在金属晶体的晶格结点上,金属原子的原子核构成一个联合核势能,电子填充在核势能的分子轨道内,价电子以离域电子的形式存在。

2.能带的概念

由n条能级相同的原子轨道组成能量几乎连续的n条分子轨道总称能带。

3.能带的种类

(1)满带:

若参加组合的原子轨道完全被电子充满,则组合的分子轨道群也必然完全被电子充满,充满电子的低能量能带称为满带。

(2)导带:

参加组合的原子轨道如未充满电子,则形成的能带也是未充满的,还有空的分子轨道存在。

在这种能带上的电子只要吸收微小的能量跃迁到带内能量稍高的空轨道上运动,从而使金属有导电、导热性。

未充满电子的高能量能带叫导带。

(3)禁带:

相邻能带之间的间隙称带隙,电子不能停留在带隙中,带隙是电子的禁区,称为禁带。

4.能带的重叠

5.能带理论对金属性质的解释(★)

(1)导电性:

在外加电场作用下,金属导体内导带中的电子在能带中做定向运动,形成电流。

(2)金属光泽:

光照时导带中的电子可以吸收光能跃迁到能量较高的能带上,当电子跃回时把吸收的能量又发射出来,使金属具有光泽。

(3)导热性:

局部加热时,电子运动和核的震动可以传热,因而具有导热性。

(4)延展性:

受机械力作用时,原子在导带中自由电子的润滑下可以相互滑动,而能带并不因此被破坏。

(5)温度对导体、半导体、绝缘体导电性的影响(★):

导体在温度升高时,由于禁带较宽,不但不能使满带中的电子跃入导带,以增加电子的数目,反而由于金属原子与金属阳离子振动的加剧,使导带中自由电子的流动受阻,导电性减弱。

绝缘体由于禁带较宽,温度升高时,满带的电子很难越过禁带而跃入导带上,因而温度升高不能使绝缘体导电。

半导体由于禁带较窄,在温度升高时,满带中的电子很容易被激发,越过禁带跃迁到导带上,从而增强了半导体的导电性。

7.5混合型晶体和晶体的缺陷

7.6离子极化对物质性质的影响

目的要求:

1.了解混合型晶体及特点;

2.了解实际晶体的缺陷类型及影响;

3.了解离子极化的概念,掌握离子极化对物质性质的影响。

重点、难点:

重点掌握离子极化对物质性质的影响。

作业:

1.P2239、11

2.网络平台作业

内容:

7.5混合型晶体和晶体的缺陷

一、混合型晶体

1.含义:

有一些晶体,晶体内可能同时存在若干种不同的作用力,具有若干种晶体的结构和性质,这类晶体称为混合型晶体。

2.石墨的晶体结构(★)

石墨晶体具有平面结构。

平面层内的碳原子以sp2杂化轨道与相邻的碳原子以σ键结合,键角为1200,形成由无数个正六角形连接起来的、相互平行的平面网状结构层。

石墨层间结构是由碳原子剩下的一个p电子完成的。

这一电子所在的轨道与杂化轨道所处的平面垂直,这些p电子都参与形成同层碳原子之间的Π键,即形成大Π键,大Π键中的电子沿层面方向的活动力很强,类似金属键中的自由电子,故石墨沿层面方向电导率大。

层与层间的作用力类似于分子间力,所以层间易滑动,可作润滑剂。

即石墨中既含有共价键、又有类似金属键与分子间力的作用力,故石墨是混合型晶体。

二、实际晶体的缺陷及其影响

(一)晶体缺陷的分类:

1.点缺陷:

(1)含义:

构成晶体的微粒“逃脱”原来的位置,使晶格中出现空缺,或者从晶格中脱落的粒子可进入晶格的空隙,形成间隙粒子,或者晶格中某些位置被杂质原子所取代,使具有规整的晶体出现了无序的排列,这些缺陷都属于点缺陷。

(2)分类:

①空穴缺陷:

晶体中某些晶格结点位置上缺少粒子,使晶体内出现空穴。

②置换缺陷:

晶体内组成晶体的某些粒子被少量别的粒子取代所造成的晶体缺陷。

③间充(或填隙)缺陷:

晶体内组成晶体粒子的空隙位置被外来粒子所填充。

2.线缺陷:

在晶体中出现线状位置的缺陷或错乱的现象。

又称位错。

3.面缺陷:

晶体中缺少一层粒子而形成的“层错”现象。

4.体缺陷:

指完整的晶体结构中存在着空洞或包裹物。

(二)晶体缺陷对晶体性质的影响

1.对机械强度、韧性、脆性等的影响

使晶体的机械强度降低,对晶体的韧性、脆性等也会产生显著的影响。

2.导电性

离子晶体的缺陷可提高其电导率;金属晶体的缺陷使其电阻率增大,导电性能降低;半导体材料的缺陷会增加其电导率。

三、实际晶体的键型变异

1.含义:

实际晶体中,晶体各结点粒子间的结合力多数都是离子键、共价键、金属键或分子间力中的两种或两种以上的组合,即为混合键型或过渡键。

键型过渡现象又称键型变异。

2.物质结构的复杂性:

P210图7.15

7.6离子极化对物质性质的影响

一、离子的电

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