高考化学知识点31 专题二十五实验方案的设计与评价 考点二探究组成性质的实验方案的设计与评价.docx
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高考化学知识点31专题二十五实验方案的设计与评价考点二探究组成性质的实验方案的设计与评价
1 化学实验方案的设计
（1）化学实验方案设计的基本要求
（2）化学实验设计的基本内容
（3）实验方案设计的基本思路
（4）实验方案设计的步骤
①明确目的、原理
认真审题，明确实验目的，弄清题给信息，结合已学知识，通过类比、迁移、分析等明确实验原理。
②选择仪器、药品
根据实验目的和原理、反应物和生成物的性质、反应条件，如反应物和生成物的状态、能否腐蚀仪器、反应是否需要加热及温度是否可控制在一定的范围等，选择合理的仪器和药品。
③设计装置、步骤
根据实验目的和原理，以及所选用的仪器和药品，设计出合理的实验装置和完整而又简明的实验操作步骤。
④记录现象、数据
观察实验现象，全面而准确地记录实验过程中的现象和数据。
⑤分析得出结论
根据实验观察到的现象和记录的数据，通过分析、计算、推理等方法，得出正确的结论。
（5）实验方案设计的注意事项
①实验操作顺序
装置选择与连接→气密性检查→加固体药品→加液体药品→开始实验（按程序）→拆卸仪器→其他处理等。
②加热操作先后顺序的选择
若气体制备实验需加热，应先加热气体发生装置，通入气体排出装置中的空气后，再给实验中需要加热的物质加热。
目的是：
a.防止爆炸（如氢气还原氧化铜）；b.保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中的物质反应。
熄灭酒精灯的顺序则相反。
③实验中试剂或产物防止变质或损失
a．实验中反应物或产物若易吸水、潮解、水解等，要采取措施防止吸水；
b．易挥发的液体产物要及时冷却；
c．易挥发的液体反应物，需在反应装置中加装冷凝回流装置（如长导管、竖直的干燥管、冷凝管等）；
d．注意防止倒吸的问题。
④仪器选用及连接顺序
（6）化学实验设计要做到“六防”
①防爆炸：
点燃可燃性气体（如H2、CO、CH4等）或用CO、H2还原CuO（或Fe2O3）之前要检验气体的纯度。
②防暴沸：
加热液体混合物时要加入沸石。
③防氧化：
实验过程中要防止易被氧化的物质与空气中的O2接触，如H2还原CuO时要“先灭灯后停氢”。
④防水解：
实验制取易吸水、潮解、水解的物质要在装置的前后增加干燥装置。
⑤防倒吸：
实验中使用或制取极易溶于水的气体（如NH3、HCl等）要设置防倒吸装置。
⑥防污染：
实验中使用或制取有毒气体（如Cl2、SO2、CO、NO2、NO、H2S等），要进行尾气处理。
学霸巧学卡 解答实验方案设计题应注意的问题
（1）药品和装置是部分给出还是有剩余
若药品和装置是部分给出，则应作必要的补充，若有剩余，则应进行筛选。
（2）题目条件有无特殊要求
如采用最简单或最合理的实验步骤，这些要求对考虑反应原理、选择药品和装置、确定操作步骤都作了限定，必须高度重视。
（3）实验过程中的隐蔽性操作
如某些必要的干燥、除杂、冷凝等，这些都是实验中必不可少的操作，但容易被忽略。
（4）药品和仪器的规格
有些题目要求指出药品的名称，如有些药品应准确描述为硫酸铜粉末、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、浓硫酸、饱和NaHCO3溶液、NaOH溶液等，此外也应注意某些仪器的规格。
（5）会画简单的实验装置图
考纲要求能够绘制和识别典型的实验仪器装置图，可用“装置图示意”表示。
补画装置图的题目中，装置图画得不准确也会失分。
（6）其他应注意的问题
冷凝回流、冷却、防倒吸问题，具有特殊作用的实验改进装置等。
如为使分液漏斗中的液体顺利流出，用橡皮管连接成连通装置；为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套一支小试管等。
2 化学实验方案设计的类型
（1）物质性质实验方案的设计
①在进行性质实验方案的设计时，要充分了解物质的结构、性质、用途与制法之间的相互关系，要根据物质的结构特点，设计化学实验方案来探究或验证物质所具有的一些性质。
②研究物质性质的基本方法：
观察法、实验法、分类法、比较法等。
③研究物质性质的基本程序：
观察外观性质—预测物质性质—实验和观察—解释及结论。
图示如下：
（2）物质检验实验方案的设计
通过特定的反应现象，推断被检验物质是否存在。
其图示如下：
物质检验
在对物质进行检验或鉴别时，一般的原则是：
①给出n种物质进行鉴别，一般只需检验n－1种即可；
②物理和化学方法可并用，一般先用物理方法（如物质的颜色、气味、水溶性等），再用化学方法；
③设计的实验步骤越简单越好，实验现象越明显越好；
④有干扰离子存在时，应先排除干扰，以免得出错误的结论。
3 化学实验方案的评价
（1）化学实验评价的内容
①评价实验原理——是否明确、合理。
②评价实验方案——是否安全、可行。
③评价药品、仪器——是否方便、易得。
④评价实验现象和结论——是否明显、清晰。
（2）实验方案优劣的选择
①选择
包括仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择等。
仪器的选择包括发生装置（几种基本类型）、净化装置（除杂质的试剂与顺序）、反应装置、收集装置、尾气处理装置的选择；药品的选择包括种类、浓度、物质状态等的选择；连接方式的选择，包括仪器的先后顺序、导管接口的连接方式等的选择。
②评价
对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确作出判断。
要考虑是否合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。
③最佳方案的选用
几个实验方案都能达到目的，应分析各方案的优劣并选出其中最佳的—个。
所谓最佳，无非是装置最简单、药品容易取得且价格低廉、原料利用率高、现象明显、无干扰物质以及无污染等。
（3）化学实验评价的五大视角
①可行性视角：
只有合理且切实可行的实验方案才有意义。
可行性是方案的第一要素，评价方案时应注意从实验原理和操作两个方面分析：
a．理论上要科学合理。
b．操作上要简单可行。
②经济效益视角：
评价一种实验方案，不仅要从科学性上判断是否可行，还要从经济效益上考虑是否切合实际。
③绿色化视角
a．分析实验药品是否有毒，是否会造成环境污染；
b．仪器药品是否价格低廉、便宜易得；
c．反应是否充分，原子经济性强。
④安全性视角
a．避免炸裂：
受热不均匀、液体倒吸、气流不畅、易燃气体中混有助燃气体等。
b．防污染：
有毒尾气未经处理、剩余药品随意丢弃、实验产生的废液肆意倾倒等。
c．防失火：
点燃或熄灭酒精灯的方法不正确、易燃试剂与明火接触等。
d．防吸水：
极易水解、吸水性强（潮解）的物质未密封保存或与潮湿空气接触，大量吸水导致液体溢出或药品变质等。
⑤规范性视角
a．仪器的安装与拆卸。
b．试剂添加的顺序与用量。
c．加热的方式方法和时机。
d．仪器的查漏、气密性检验。
e．温度计的规范使用、水银球的位置。
f．实验数据的读取。
g．冷却、冷凝的方法等。
4 探究型实验
（1）探究实验题的结构特点
实验探究题主要考查学生的化学实验探究能力和科学表达能力。
试题往往以一个具体的化学问题或化学现象为背景，在实验结果不知晓的情况下，由实验者自行设计实验方案进行探究的，因此就会涉及结果假设和设计方案以及预测现象、结果的内容。
（2）探究性实验的常见类型
①对未知产物的探究
通过化学反应原理猜测可能生成哪些物质，对这些物质逐一进行检验来确定究竟含有哪些物质。
虽然探究性实验主要考查学生的探究能力，但在问题中常常包含了对实验基础知识的考查。
如：
a．常见物质分离的提纯方法：
结晶法、蒸馏法、过滤法、升华法、萃取法、渗析法等。
b．常见气体的制备、净化、干燥、收集等方法。
c．熟悉重点的操作：
气密性检查、测量气体体积、防倒吸、防污染等。
②物质性质的探究
a．在探究过程中往往可以利用对比实验，即设置几组平行实验来进行对照和比较，从而研究和揭示某种规律，解释某种现象形成的原因或证明某种反应机理。
b．无机物、有机物性质的探究，必须在牢牢掌握元素化合物知识的基础上，大胆猜想，细心论证。
脱离元素化合物知识，独立看待实验问题是不科学的，只有灵活运用已有的元素化合物知识，才能变探究型实验为验证型实验，使复杂问题简单化。
（3）解答探究性实验题的基本思路可用以下流程图表示
提出问题→提出猜想→设计验证方案→观察实验发现特殊现象，提出新猜想现象→得出结论
①提出问题
要提出问题，首先得发现问题，对题给信息进行对比、质疑，通过思考提出值得探究的问题。
此外，实验中出现的特殊现象也是发现问题、提出问题的重要契机。
②提出猜想
所谓猜想就是根据已有知识对问题的解决提出几种可能的情况。
有些问题，结论有多种可能（即猜想），只能通过实验进行验证。
③设计验证方案
提出猜想后，就要结合题给条件，设计出科学、合理、安全的实验方案，对可能的情况进行探究。
实验设计中，关键是试剂的选择和实验条件的控制。
④观察实验现象，得出结论
根据设计的实验方案和观察到的实验现象进行推理分析或计算分析，从而得出结论。
1.下列叙述Ⅰ和Ⅱ均正确并有因果关系的是（ ）
选项
叙述Ⅰ
叙述Ⅱ
A
KNO3的溶解度大
用重结晶法除去KNO3中混有的NaCl
B
BaSO4难溶于酸
用盐酸和BaCl2溶液检验SO
C
NH3能使酚酞溶液变红
NH3可用于设计喷泉实验
D
Ca（OH）2能制成澄清石灰水
可配制2.0mol·L－1的Ca（OH）2溶液
答案 B
解析 A中的两个陈述均正确，但用重结晶法除去KNO3中混有的NaCl主要是利用二者溶解度受温度影响不同的原理；B中利用了常见难溶性钡盐中只有BaSO4难溶于酸的原理，正确；C中NH3溶于水呈碱性与NH3可做喷泉实验没有关系，NH3可做喷泉实验是因为NH3极易溶于水；D中陈述Ⅱ错误，Ca（OH）2是微溶物质，不可能配制出2.0mol·L－1的Ca（OH）2溶液。
2．下列从原料及有关试剂分别制取相应的最终产物的设计中，理论上正确、操作上可行、经济上合理的方案是哪个？
方案1 C
CO
CO2
Na2CO3
方案2 Cu
Cu（NO3）2溶液
Cu（OH）2
方案3 CaO
Ca（OH2）溶液
NaOH溶液
方案4 Fe
Fe2O3
Fe2（SO4）3溶液
答案 方案3
解析 C在空气中燃烧不能得纯净的CO，方案1不合理；AgNO3溶液价格较高，不经济，方案2不合理；Fe在O2中燃烧的产物是Fe3O4而不是Fe2O3，方案4不合理。
[考法综述] 近年来高考越来越注重化学中的科学探究方法及化学实验方案的设计，应对此类考点时，需要掌握化学实验方案设计的题型特点及解题方法思路，而对于物质性质的探究与评价类试题，解题时首先要明确实验目的，然后结合所给实验装置或实验步骤分析反应原理，分析出可能具有哪些性质、能用哪些方法来验证、方案是否完整合理、有无干扰现象、经济上是否合算和是否存在环境污染等问题，最后整理出解题思路。
命题法1 物质性质实验方案的设计
典例1 氯气是一种重要的化工原料。
某学习小组在实验室中利用如图所示装置制取氯气并探究其性质。
请回答下列问题：
（1）实验室用二氧化锰和浓盐酸共热制取氯气，发生装置中除圆底烧瓶、酒精灯和导管外还需用到的玻璃仪器有________。
（2）装置A中盛放的试剂是________。
（3）实验过程中观察到C中品红溶液褪色，推测B装置中发生反应的离子方程式为________________。
为了证明FeBr2与Cl2确实发生了此反应，进行了下列实验，请将实验步骤补充完整。
实验后，取少量B中溶液，______________。
（4）吸收尾气一段时间后，经分析：
D中溶液仍呈强碱性，且一定存在Cl－、OH－和SO
。
对于可能存在的其他阴离子，该学习小组提出以下3种假设。
假设1：
只存在SO
；
假设2：
只存在ClO－；
假设3：
既不存在SO
，也不存在ClO－。
①判断不可能同时存在SO
和ClO－的理由是__________。
②现限选以下试剂，设计实验方案，进行实验，请完善实验步骤并填写预期现象。
a．3mol/L硫酸
b．0.01mol/LKMnO4溶液
c．1mol/LBaCl2溶液
d．淀粉碘化钾溶液
e．酚酞溶液
步骤一：
取少量吸收液分装于甲、乙两试管中。
步骤二：
向甲试管中滴加少量________（填序号），若溶液____________（填现象），则假设1成立。
步骤三：
向乙试管中滴加少量________（填序号），若溶液______（填现象），则假设2成立，写出反应的离子方程式：
___________。
[解析]
（1）MnO2盛放在圆底烧瓶中，浓盐酸盛放在分液漏斗中。
（2）加热条件下MnO2与浓盐酸反应生成的Cl2中含有HCl，用饱和食盐水可除去HCl。
（3）实验过程中观察到C中品红溶液褪色，说明FeBr2溶液中的Fe2＋、Br－分别全部被Cl2氧化为Fe3＋、Br2，其反应的离子方程式为2Fe2＋＋4Br－＋3Cl2===2Fe3＋＋6Cl－＋2Br2，只要证明反应后的溶液中既存在Fe3＋又存在Br2即可说明发生了该反应，Fe3＋可用KSCN溶液检验，Br2可根据其溶解在CCl4溶液中的颜色来检验。
（4）①因SO
具有还原性，ClO－具有氧化性，二者能发生氧化还原反应，所以不能大量共存。
②假设1只存在SO
，可利用SO
具有还原性，能使酸性KMnO4溶液褪色来证明。
假设2只存在ClO－，可利用ClO－在酸性条件下具有强氧化性，能将I－氧化为I2，I2遇淀粉变蓝色来证明。
[答案]
（1）分液漏斗
（2）饱和食盐水 （3）2Fe2＋＋4Br－＋3Cl2===2Fe3＋＋6Cl－＋2Br2 滴加KSCN溶液；另取少量B中溶液，加入CCl4溶液萃取 （4）①SO
和ClO－能发生氧化还原反应，不能共存 ②ab 褪色 ad 变蓝色 ClO－＋2I－＋2H＋===Cl－＋I2＋H2O
【解题法】 物质性质实验题的解题策略和答题规范
（1）解题策略
性质验证型实验题的关键是结合题目要求和所给的仪器、装置以及所给的试剂，了解命题的意图。
一般思路是：
①已给出试剂或装置（仪器）的实验
该类题目的关键是通读全题，结合题意或元素化合物的性质，弄清楚在某一仪器处发生的反应或该反应的现象，同时要理解设置的仪器或装置的目的。
这样问题就能迎刃而解。
②已知反应或反应现象及仪器操作要求
该类题目的关键是根据题目的现象或操作要求等，通过所学元素化合物性质或化学实验的仪器使用和基本操作，确定此处缺少的试剂或缺少的装置或仪器。
（2）答题规范
注意回答问题时，一定要锤炼语言，使自己的语言描述准确、规范，避免“心里知道却说不清”的现象。
如对实验的描述可按“操作、现象、结论”的顺序组织语言。
另外叙述要精确，表达要清楚。
命题法2 探究型实验设计
典例2 Na2O2是常用的强氧化剂，CO和H2是常用的还原剂。
某学习小组以“探究过氧化钠能否氧化CO、H2”为目标开展下列研究：
【提出假设】假设1：
过氧化钠只氧化CO；
假设2：
过氧化钠只氧化H2；
假设3：
______________________________________________。
【查阅资料】赤热的焦炭能与水蒸气反应生成CO和H2，同时CO与水蒸气在高温下反应生成少量的CO2。
【设计实验】学习小组的同学根据实验目标设计如下实验（假设装置中药品都充足）
主要实验步骤：
①连接装置并检查装置气密性；②点燃A处酒精灯，缓慢通入水蒸气，待装置内空气排尽后，点燃C处酒精灯；③浅黄色的过氧化钠熔融完全变白色时，熄灭C处酒精灯；④继续通入水蒸气至C处玻璃管冷却，停止通水蒸气并熄灭A处酒精灯。
实验过程中，无水硫酸铜没有变蓝色，澄清石灰水没有变浑浊。
【问题探究】
（1）上述方案有不足之处，请你提出修改建议：
_____________。
B装置的作用是________________________________________。
（2）确认步骤②“装置内空气排尽”的操作是______________。
（3）预测C处玻璃管里可能发生的化学反应，写出反应的化学方程式：
_____________________________________________________。
（4）实验室提供如下试剂：
酚酞溶液、氯化钡溶液、澄清石灰水、盐酸、硝酸银溶液、硫酸铁溶液、硫酸铜溶液。
请你设计实验方案确认C玻璃管里白色固体的成分并填写实验报告（可以补充，也可以不填满）：
实验步骤
实验操作
实验现象和结论
1
2
3
【应用拓展】设计一个简单实验确认白色固体中是否含有过氧化钠：
__________________________________________________。
[解析] 【提出假设】Na2O2具有强氧化性，能氧化H2、CO中的一种或者两种，据此可提出假设3。
【问题探究】
（1）根据题给资料知，焦炭与水蒸气反应生成CO、H2和少量CO2，由于CO2和水蒸气都能与过氧化钠反应，故在H2和CO与过氧化钠反应之前必须除去水蒸气和CO2；如果装置空气不排出，空气中的O2与H2、CO反应可能发生危险，并干扰实验。
（2）收集尾气验纯，可以确认装置内空气是否排尽。
（3）由于澄清石灰水和无水硫酸铜都没有现象，说明C中反应无CO2、H2O生成，过氧化钠由浅黄色变成白色粉末，说明发生了化学反应，可能是CO或H2或CO和H2与过氧化钠发生了反应。
（4）证明白色固体是否含碳酸钠、氢氧化钠，不能用澄清石灰水检验碳酸钠，用澄清石灰水会引入OH－，干扰氢氧化钠的检验。
【应用拓展】根据Na2O2能与H2O反应或者利用Na2O2具有漂白性可设计出检验Na2O2是否存在的实验方案。
[答案] 【提出假设】过氧化钠既能氧化CO，又能氧化H2
【问题探究】
（1）在E装置后的导管处接一个气球（或放一盏点燃的酒精灯） 吸收CO、H2混合气体中的水蒸气和二氧化碳
（2）在E处收集一试管气体，点燃，若气体安静燃烧或有轻微的爆鸣声，证明装置内空气已排尽
（3）Na2O2＋H2
2NaOH Na2O2＋CO
Na2CO3
（4）
实验步骤
实验操作
实验现象和结论
1
取少量白色固体溶于水，加入足量的氯化钡溶液
若产生白色沉淀，则说明白色固体中含有碳酸钠；若无现象，则说明白色固体中不含碳酸钠
2
在第1步的上层清液中滴加酚酞溶液
若溶液变红色，则说明白色固体中含有氢氧化钠；否则，不含氢氧化钠
【应用拓展】取少量白色固体溶于水，无气泡产生，则说明白色固体中不含过氧化钠（或向溶液中滴加酚酞溶液，若红色不褪色，则说明白色固体中不含过氧化钠，否则白色固体中含过氧化钠）
【解题法】 解探究性实验题的主要方法
（1）从表格中提取有效信息
此类题目中经常给出表格，大多数表格中设置横标目和纵标目，围绕所探究的主题，给出实验编号、实验目的、实验条件以及实验数据，它是提供一个有序的框架。
解题时首先要看清纵横标目所表示的含义，以变量和不变量为两条线索分析各数据之间的关系，找出变化规律。
（2）变量控制的方法
①单一变量原则：
控制其他因素不变，只改变其中一个因素（要研究的因素），观察其对实验结果的影响。
遵循单一变量原则，即“变一定多”，既便于对实验结果进行科学的分析，又能增强实验结果的可信度和说服力。
②对照原则：
通常一个实验分为实验组和对照组。
实验组是接受实验变量处理的对象组。
（3）假设的方法
假设时一般是根据已有知识对问题的成因提出猜想，对探究的方向和可能出现的实验结果进行推测与假设。
①要紧密联系探究主题，明确假设要求，不能作出与探究主题不符的假设。
②充分利用题给假设寻找线索，找出假设的角度，完成其他的假设。
a．要注意假设的指向性，假设要有依据，即根据自己已有的认知结构，运用科学的方法进行假设；
b．假设的结果和现象应有因果联系，假设时无需考虑假设的结论是否正确，只要对问题可能的答案作出假设即可；
c．假设要有可检验性，假设的结果和因素之间的关系正确与否，可以设计一定的方案去检验。
命题法3 工艺流程中的实验分析
典例3 二氧化铈（CeO2）是一种重要的稀土氧化物。
平板电视显示屏生产过程中产生大量的废玻璃粉末（含SiO2、Fe2O3、CeO2以及其他少量可溶于稀酸的物质）。
某课题组以此粉末为原料回收铈，设计实验流程如下：
（1）洗涤滤渣A的目的是为了除去________（填离子符号），检验该离子是否洗净的方法是_____________________________________。
（2）第②步反应的离子方程式是____________________________，滤渣B的主要成分是________。
（3）萃取是分离稀土元素的常用方法。
已知化合物TBP作为萃取剂能将铈离子从水溶液中萃取出来，TBP________（填“能”或“不能”）与水互溶。
实验室进行萃取操作时用到的主要玻璃仪器有________、烧杯、玻璃棒、量筒等。
（4）取上述流程中得到的Ce（OH）4产品0.536g，加硫酸溶解后，用0.1000mol·L－1FeSO4标准溶液滴定至终点时（铈被还原为Ce3＋），消耗25.00mL标准溶液。
该产品中Ce（OH）4的质量分数为________。
[解析]
（1）滤渣洗涤的目的是除去表面吸附的离子，本题中的离子有Fe3＋、Cl－，而主要除去Fe3＋，否则在后续实验中被沉淀使产品不纯；
（2）根据流程第②步反应是氧化还原反应，二氧化硅不溶于酸；
（3）萃取剂与原溶剂不能互溶；
（4）根据Ce（OH）4 ～ Fe2＋
208g1mol
m0.1000×25.00×10－3
m＝0.52g，纯度为0.52/0.536＝97.0%。
[答案]
（1）Fe3＋ 取最后一次洗涤液少许于试管中，然后加入几滴硫氰化钾溶液，若未见红色，则该离子洗净，反之，未洗净（其他合理答案均可）
（2）2CeO2＋6H＋＋H2O2===2Ce3＋＋4H2O＋O2↑ 二氧化硅（其他合理答案均可）
（3）不能 分液漏斗
（4）97.0%
【解题法】 解答流程图的方法和步骤
由于题给信息比较新颖，且信息量较大，在解题时首先要保持平和的心态，认真审题，从中找到解题的突破点。
（1）第一步，浏览全题，整体分析。
①读题头，明目的，划原料产品。
由于题头一般是简单介绍该工艺生产的原材料和工艺生产的目的（包括副产品），因此通过阅读流程图的题头，同学们首先明确目的，划出原料和产品（包括副产品）。
②读流程，析过程，推各步物质。
分析推断出各步所得的物质，重点分析下列关系：
a．原料与产品：
从某种原料出发，要得到最终产品，必须除去什么元素、引进什么元素？
有时需要逆推。
b．步骤与目的：
加入某种试剂，采取这样的方法，其目的是什么？
一般只考虑与后面提问有关的步骤，其他不必清楚。
（2）第二步，看清要求，分段解决。
①读信息，找规律，用规律解题。
题干部分除框图外，还包括图下提供的信息，新信息是一些课本上未出现过但题中必须要用到的知识。
所给信息一定有用，而且一定用到，有时还需分解、重组、迁移到本题中来。
要求先养成良好的做题习惯，阅读题干时要随手画出题目中的相关信息，找出信息规律，应用信息规律推出上一步没有推出的物质。
②读设问，逐空填答，用语要规范。
一般是5～6个问题左右，要逐空逐问地回答，用词要准确，语言要简练，化学用语要规范、化学或离子方程式要配平。
1．某同学将光亮的镁条放入盛有NH4Cl溶液的试管中，有大量气泡产生。
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