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專題九定量分析及方案設(shè)計類實驗專題突破【考情分析】定量實驗是將化學(xué)實驗與化學(xué)計量有機(jī)的結(jié)合在一起測定物質(zhì)化學(xué)組成與含量的探究性實驗,探究類實驗主要探究物質(zhì)分解的產(chǎn)物和物質(zhì)的性質(zhì);設(shè)計并完成實驗報告包括補(bǔ)充實驗步驟或?qū)嶒灢襟E的排序、選擇試劑和現(xiàn)象的描述等。都是近幾年高考命題的??碱}型。如2018·課標(biāo)全國Ⅱ28,2018·課標(biāo)全國Ⅲ26,2017.全國卷Ⅱ28等,此類題設(shè)計實驗?zāi)康男?、實用性?qiáng),能給予學(xué)生較大的創(chuàng)造空間,更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度??键c(diǎn)指導(dǎo)1定量分析型綜合實驗1.定量實驗數(shù)據(jù)的測定方法(1)沉淀法先將某種成分轉(zhuǎn)化為沉淀,然后稱量純凈、干燥的沉淀的質(zhì)量,再進(jìn)行相關(guān)計算。(2)測氣體體積法對于產(chǎn)生氣體的反應(yīng),可以通過測定氣體體積的方法測定樣品純度。①常見測量氣體體積的實驗裝置②量氣時應(yīng)注意的問題a.量氣時應(yīng)保持裝置處于室溫狀態(tài)。b.讀數(shù)時要特別注意消除“壓強(qiáng)差”,保持液面相平還要注意視線與液面最低處相平。如上圖(Ⅰ)(Ⅳ)應(yīng)使左側(cè)和右側(cè)的液面高度保持相平。(3)測氣體質(zhì)量法將生成的氣體通入足量的吸收劑中,通過稱量實驗前后吸收劑的質(zhì)量,求得所吸收氣體的質(zhì)量,然后進(jìn)行相關(guān)計算。(4)滴定法即利用滴定操作原理,通過酸堿中和滴定、沉淀滴定和氧化還原反應(yīng)滴定等獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行相關(guān)計算。2.定量實驗數(shù)據(jù)處理如何用好、選好數(shù)據(jù),是解決化學(xué)定量實驗題的關(guān)鍵所在。解決化學(xué)定量實驗題的一般方法為比較數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)變物質(zhì)、分析利弊、確定方案。(1)對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較是解決問題的突破口,注意比較數(shù)據(jù)的交點(diǎn)與重合區(qū)。(2)轉(zhuǎn)變物質(zhì)則是實現(xiàn)實驗?zāi)繕?biāo)的重要途徑,在一些物質(zhì)提純與制備的問題中,往往會提供一些物質(zhì)沉淀的pH范圍、物質(zhì)的沸點(diǎn)、密度、溶解性等呈現(xiàn)物質(zhì)物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)。(3)在實際生產(chǎn)、生活中,除了涉及是否能夠通過相應(yīng)反應(yīng)來實現(xiàn)實驗?zāi)繕?biāo)外,還涉及經(jīng)濟(jì)效益的問題,在原理、環(huán)保等沒有大的差異時,選擇廉價原料完成相應(yīng)的實驗成為首選?!镜淅?】(天津高考)水中溶氧量(DO)是衡量水體自凈能力的一個指標(biāo),通常用每升水中溶解氧分子的質(zhì)量表示,單位mg·L-1,我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,生活飲用水源的DO不能低于5mg/L。某化學(xué)小組同學(xué)設(shè)計了下列裝置(夾持裝置略),測定某河水的DO。1.測定原理:堿性條件下,O2將Mn2+氧化為MnO(OH)2:①2Mn2++O2+4OH-=2MnO(OH)2↓,酸性條件下,MnO(OH)2將I-氧化為I2:②MnO(OH)2+I(xiàn)-+H+→Mn2++I(xiàn)2+H2O(未配平),用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定生成的I2,③2S2Oeq\o\al(2-,3)+I(xiàn)2=S4Oeq\o\al(2-,6)+2I-。2.測定步驟:a.安裝裝置,檢驗氣密性,充N2排盡空氣后,停止充N2。b.向燒瓶中加入200mL水樣。c.向燒瓶中依次迅速加入1mLMnSO4無氧溶液(過量)2mL堿性KI無氧溶液(過量),開啟攪拌器,至反應(yīng)①完全。d.攪拌并向燒瓶中加入2mLH2SO4無氧溶液,至反應(yīng)②完全,溶液為中性或弱酸性。e.從燒瓶中取出40.00mL溶液,以淀粉作指示劑,用0.01000mol·L-1Na2S2O3溶液進(jìn)行滴定,記錄數(shù)據(jù)。f.……g.處理數(shù)據(jù)(忽略氧氣從水樣中的溢出量和加入試劑后水樣體積的變化)。回答下列問題:(1)配制以上無氧溶液時,除去所用溶劑水中氧的簡單操作為________。(2)在橡膠塞處加入水樣及有關(guān)試劑應(yīng)選擇的儀器為________。①滴定管②注射器③量筒(3)攪拌的作用是________。(4)配平反應(yīng)②的方程式,其化學(xué)計量數(shù)依次為________。(5)步驟f為__________________________________________________________。(6)步驟e中達(dá)到滴定終點(diǎn)的標(biāo)志為________。若某次滴定消耗Na2S2O3溶液4.50mL,水樣的DO=________mg·L-1(保留一位小數(shù))。作為飲用水源,此次測得DO是否達(dá)標(biāo):________(填“是”或“否”)。(7)步驟d中加入H2SO4溶液反應(yīng)后,若溶液pH過低,滴定時會產(chǎn)生明顯的誤差,寫出產(chǎn)生此誤差的原因(用離子方程式表示,至少寫出2個)________________________________________________________________________________________________________________________________________。[標(biāo)準(zhǔn)答案](1)將溶劑水煮沸后冷卻(2)②(3)使溶液混合均勻,快速完成反應(yīng)(4)1,2,4,1,1,3(5)重復(fù)步驟e的操作2~3次(6)溶液藍(lán)色褪去且半分鐘內(nèi)不變色9.0是(7)2H++S2Oeq\o\al(2-,3)=S↓+SO2↑+H2O、SO2+I(xiàn)2+2H2O=4H++SOeq\o\al(2-,4)+2I-、4H++4I-+O2=2I2+2H2O(任寫其中2個)[命題分析]第(1)問考查化學(xué)實驗的基本操作氣體的溶解度隨溫度升高而減小,故可將水加熱煮沸法除去溶解在水中的O2。第(2)問考查實驗儀器的選擇測定步驟中加入的試劑為無氧溶液,且加入的水樣要防止空氣中氧氣的干擾,故需要隔絕空氣,所以選用密封性較好的注射器。第(3)問考查化學(xué)實驗基本操作的作用攪拌使物質(zhì)混合均勻,加快化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。第(4)問考查氧化還原方程式的配平MnO(OH)2中Mn的化合價為+4,能將I-氧化成I2,依據(jù)氧化還原方程式配平的方法配平化學(xué)方程式MnO(OH)2+2I-+4H+=Mn2++I(xiàn)2+3H2O。第(5)(6)問考查中和滴定的實驗操作及滴定終點(diǎn)的判斷中和滴定一般采用重復(fù)滴定2~3次來減小滴定誤差,用Na2S2O3溶液進(jìn)行滴定時,I2的量逐漸減小至消失時為滴定終點(diǎn),此時的現(xiàn)象是藍(lán)色消失且半分鐘內(nèi)不變色。第(6)問考查多步反應(yīng)方程式的計算根據(jù)題中所給的反應(yīng)方程式得出關(guān)系式:2Mn2+~O2~2MnO(OH)2~2I2~4Na2S2O314n(O2)0.0045L×0.01000mol·L-1則n(O2)=eq\f(1,4)×0.0045L×0.01000mol·L-1DO=eq\f(\f(1,4)×0.0045L×0.01000mol·L-1×32g·mol-1,0.04L)=9.0×10-3g·L-1=9.0mg·L-1高于5mg·L-1,故此次測得DO達(dá)標(biāo)。第(7)問考查氧化還原滴定的誤差分析Na2S2O3在酸性條件下可以發(fā)生歧化反應(yīng)生成S和SO2,且生成的SO2可被I2氧化,另外,酸性較強(qiáng)時I-也可被空氣中的O2氧化?!緦c(diǎn)訓(xùn)練】1.三草酸合鐵酸鉀晶體K3[Fe(C2O4)3]·3H2O可用于攝影和藍(lán)色印刷,它受熱易分解,為了驗證其氣態(tài)產(chǎn)物,某同學(xué)設(shè)計了如下實驗裝置:(1)若實驗中,觀察到B、E中的溶液均變渾濁,則D中的現(xiàn)象是____________________________________________________________________;說明其氣態(tài)產(chǎn)物是________、________;為驗證另一種氣態(tài)產(chǎn)物,應(yīng)在A、B之間增加的裝置為____________。(2)為了使實驗更安全、更嚴(yán)密,你認(rèn)為該實驗設(shè)計需要如何改進(jìn)?①___________________________________________________________________;②___________________________________________________________________。(3)固體產(chǎn)物中鐵元素不可能以+3價形式存在,理由是__________________________________________________________________________________________________________________________________________。現(xiàn)設(shè)計實驗,探究固體產(chǎn)物中鐵元素的存在形式。①提出合理假設(shè)。假設(shè)1:____________________________________________________________;假設(shè)2:____________________________________________________________;假設(shè)3:_____________________________________________________________。②某學(xué)生設(shè)計實驗探究上述假設(shè),除3%H2O2、蒸餾水外,還需要下列試劑中的____________________________________________________________________。限選試劑:濃硫酸、1.0mol·L-1HNO3、1.0mol·L-1鹽酸、1.0mol·L-1NaOH溶液、0.1mol·L-1KI溶液、0.1mol·L-1CuSO4溶液、20%KSCN溶液。解析(1)B中溶液變渾濁說明氣態(tài)產(chǎn)物中有CO2,E中溶液變渾濁說明CO被酸性高錳酸鉀溶液氧化為CO2,故D中的現(xiàn)象是溶液褪色或變淺,從而可說明氣態(tài)產(chǎn)物有CO;另一種氣態(tài)產(chǎn)物是H2O,其驗證方法是將A中產(chǎn)生的氣體通過盛有無水CuSO4的干燥管。(2)從安全角度考慮應(yīng)在B裝置前加一個防倒吸裝置,從嚴(yán)密性角度考慮,要在C裝置后增加一個檢驗CO2是否除盡的裝置。(3)①由于反應(yīng)過程中有CO生成,能還原三價的鐵,故固體產(chǎn)物中無三價鐵,其成分可能有三種情況:Fe、FeO、Fe和FeO。②探究固體產(chǎn)物中鐵元素的存在形式;可以將固體產(chǎn)物放入足量的0.1mol·L-1的CuSO4溶液中攪拌使其充分反應(yīng),然后過濾洗滌沉淀,再加入足量的1.0mol·L-1的鹽酸,若溶液中有不溶的紅色物質(zhì),則說明固體產(chǎn)物中含有Fe(發(fā)生反應(yīng)為Fe+CuSO4=FeSO4+Cu),向溶液中加入20%KSCN溶液,不變紅色,然后再向溶液中滴加雙氧水,若變紅色,則說明固體產(chǎn)物中含有FeO。答案(1)溶液褪色或變淺CO2CO盛有無水CuSO4的干燥管(2)①在B裝置之前加一個防倒吸裝置②在C裝置后增加一個檢驗二氧化碳是否除盡的裝置(或盛有澄清石灰水的試管)(3)有還原性氣體CO生成,能將三價鐵還原,故不可能有三價鐵存在①鐵元素的存在形式為Fe單質(zhì)鐵元素的存在形式為FeO鐵元素的存在形式為Fe與FeO的混合物②1.0mol·L-1鹽酸、20%KSCN溶液、0.1mol·L-1CuSO4溶液2.(全國高考)某小組以CoCl2·6H2O、NH4Cl、H2O2、濃氨水為原料,在活性炭催化下,合成了橙黃色晶體X。為確定其組成,進(jìn)行如下實驗。①氨的測定:精確稱取wgX,加適量水溶解,注入如圖所示的三頸瓶中,然后逐滴加入足量10%NaOH溶液,通入水蒸氣,將樣品液中的氨全部蒸出,用V1mLc1mol·L-1的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液吸收。蒸氨結(jié)束后取下接收瓶,用c2mol·L-1NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定過剩的HCl,到終點(diǎn)時消耗V2mLNaOH溶液。②氯的測定:準(zhǔn)確稱取樣品X,配成溶液后用AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,K2CrO4溶液為指示劑,至出現(xiàn)淡紅色沉淀不再消失為終點(diǎn)(Ag2CrO4為磚紅色)。回答下列問題:(1)裝置中安全管的作用原理是____________。(2)用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定過剩的HCl時,應(yīng)使用________式滴定管,可使用的指示劑為________。(3)樣品中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表達(dá)式為________。(4)測定氨前應(yīng)該對裝置進(jìn)行氣密性檢驗,若氣密性不好,測定結(jié)果將________(填“偏高”或“偏低”)。(5)測定氯的過程中,使用棕色滴定管的原因是________________;滴定終點(diǎn)時,若溶液中c(Ag+)=2.0×10-5mol·L-1,c(CrOeq\o\al(2-,4))為________mol·L-1。[已知:Ksp(Ag2CrO4)=1.12×10-12](6)經(jīng)測定,樣品X中鈷、氨和氯的物質(zhì)的量之比為1∶6∶3,鈷的化合價為________。制備X的化學(xué)方程式為__________________;X的制備過程中溫度不能過高的原因是__________________。解析(3)實驗①中,從樣品液中蒸出的n(NH3)=V1×10-3L×c1mol·L-1-V2×10-3L×c2mol·L-1=(c1V1-c2V2)×10-3mol,樣品中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為eq\f((c1V1-c2V2)×10-3mol×17g·mol-1,wg)×100%=eq\f((c1V1-c2V2)×10-3×17,w)×100%。(4)若裝置氣密性不好,有部分NH3逸出,而不能被HCl吸收,則剩余的HCl的物質(zhì)的量會增多,消耗NaOH增多,即c2V2的值增大,由(3)中計算式可知測得m(NH3)變小,NH3的含量偏低。(5)滴定氯的過程中,使用棕色滴定管的原因是防止AgNO3見光分解,根據(jù)Ag2CrO4(s)2Ag+(aq)+CrOeq\o\al(2-,4)(aq)及Ksp的表達(dá)式得:c(CrOeq\o\al(2-,4))=eq\f(Ksp,c2(Ag+))=eq\f(1.12×10-12,(2.0×10-5)2)mol·L-1=2.8×10-3mol·L-1。(6)由n(Co)∶n(NH3)∶n(Cl)=1∶6∶3,則知X為[Co(NH3)6]Cl3,故Co的化合價為+3價,制備X的過程中溫度不能過高的原因是防止H2O2分解,NH3逸出。答案(1)當(dāng)壓力過大時,安全管中液面上升,使A瓶中壓力穩(wěn)定(2)堿酚酞(或甲基橙)(3)eq\f((c1V1-c2V2)×10-3×17,w)×100%(4)偏低(5)防止AgNO3見光分解2.8×10-3(6)+32CoCl2+2NH4Cl+10NH3+H2O2=2[Co(NH3)6]Cl3+2H2O溫度過高,H2O2分解,氨氣逸出考點(diǎn)指導(dǎo)2化學(xué)實驗方案的設(shè)計與評價1.實驗方案設(shè)計的基本原則2.實驗方案設(shè)計的基本內(nèi)容3.實驗方案評價的基本原則(1)可行性原則①分析實驗方案是否科學(xué)可行;②實驗操作是否安全合理;③實驗步驟是否簡單方便;④實驗效果是否明顯。(2)綠色化學(xué)原則①實驗過程中是否造成環(huán)境污染;②原料是否無毒、安全、易得;③原料利用率是否較高;④反應(yīng)速率是否較快。(3)安全性原則(4)規(guī)范性原則【典例2】(2015·全國卷Ⅰ)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中,其K1=5.4×10-2,K2=5.4×10-5。草酸的鈉鹽和鉀鹽易溶于水,而其鈣鹽難溶于水。草酸晶體(H2C2O4·2H2O)無色,熔點(diǎn)為101℃,易溶于水,受熱脫水、升華,170℃以上分解?;卮鹣铝袉栴}:(1)甲組同學(xué)按照如圖所示的裝置,通過實驗檢驗草酸晶體的分解產(chǎn)物。裝置C中可觀察到的現(xiàn)象是_________________________________________________________________________________________________________________________,由此可知草酸晶體分解的產(chǎn)物中有________。裝置B的主要作用是_____________________________________________________________________。(2)乙組同學(xué)認(rèn)為草酸晶體分解的產(chǎn)物中還有CO,為進(jìn)行驗證,選用甲組實驗中的裝置A、B和下圖所示的部分裝置(可以重復(fù)選用)進(jìn)行實驗。①乙組同學(xué)的實驗裝置中,依次連接的合理順序為A、B、________。裝置H反應(yīng)管中盛有的物質(zhì)是________。②能證明草酸晶體分解產(chǎn)物中有CO的現(xiàn)象是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)設(shè)計實驗證明:①草酸的酸性比碳酸的強(qiáng)______________________________________________。②草酸為二元酸______________________________________________________。答案(1)有氣泡逸出,澄清石灰水變渾濁CO2冷凝(水蒸氣、草酸等),防止草酸進(jìn)入裝置C反應(yīng)生成沉淀,干擾CO2的檢驗(2)①F、D、G、H、D、ICuO(氧化銅)②前面澄清石灰水無現(xiàn)象,H中黑色粉末變紅色,其后的D中澄清石灰水變渾濁(3)①向盛有少量NaHCO3的試管里滴加草酸溶液,有氣泡產(chǎn)生②用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定草酸,消耗NaOH的物質(zhì)的量為草酸的2倍[命題分析]第(1)問考查CO2的檢驗方法CO2能使澄清石灰水變渾濁第(1)問考查草酸的物理性質(zhì)草酸的熔點(diǎn)為101℃,故草酸蒸氣遇冷后會冷凝為非氣態(tài)物質(zhì),故裝置B的作用是冷凝。冷凝的目的是防止草酸蒸氣對CO2的檢驗造成干擾。第(2)①問考查實驗方案的設(shè)計先分析如何排除CO2對CO檢驗的干擾:檢驗CO氣體,應(yīng)先在H裝置中進(jìn)行CO還原CuO的反應(yīng),氣體進(jìn)入H裝置前需除去CO中的CO2氣體,從H裝置中導(dǎo)出的氣體需用澄清石灰水檢驗CO2氣體的存在。再設(shè)計實驗流程:第(2)②考查CO的檢驗方法CO還原CuO時,黑色的CuO變成紅色的單質(zhì)Cu,且CO的氧化產(chǎn)物是CO2。故證明草酸晶體分解產(chǎn)物中有CO的現(xiàn)象是H中的黑色粉末變成紅色,其后的D中澄清石灰水變渾濁。第(3)問考查草酸與碳酸酸性強(qiáng)、二元酸的證明方法向NaHCO3溶液中加入草酸,若有CO2生成,即可證明草酸的酸性強(qiáng)于碳酸,當(dāng)1mol草酸與NaOH完全中和時,需要消耗2molNaOH溶液即可證明草酸為二元酸?!緦c(diǎn)訓(xùn)練】3.(2019·山東青島一模,26)碳酸鑭咀嚼片可用于慢性腎衰患者高磷血癥的治療,不含鈣和鋁。碳酸鑭可由LaCl3為原料來制備,整個反應(yīng)在較低的pH條件下進(jìn)行,避免生成堿式碳酸鑭[La(OH)CO3]。(1)化學(xué)興趣小組利用下列裝置在實驗室中用碳酸氫銨制備碳酸鑭。①儀器X的名稱為________;檢驗裝置甲氣密性良好的方法是___________________________________________________________________________________________________________________________________________。②實驗中K1、K2打開的先后順序為_____________________________________________________________________;為保證碳酸鑭的純度,實驗過程中需要注意的問題有____________________________________________________________________。(2)碳酸鈉或碳酸氫鈉與氯化鑭反應(yīng)均可生成碳酸鑭。①為了高磷血癥患者的安全,通常選用碳酸氫鈉溶液,過程中會發(fā)生兩個平行反應(yīng),其離子方程式為___________________________________________________和__________________________________________________________________。②選擇碳酸氫鈉溶液制備碳酸鑭的優(yōu)點(diǎn)是_________________________________(任寫一條)。(3)碳酸鑭(摩爾質(zhì)量為458g·mol-1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定:準(zhǔn)確稱取15.0g產(chǎn)品試樣,溶于10.0mL稀鹽酸中,加入10mLNH3-NH4Cl緩沖溶液,加入0.2g紫脲酸銨混合指示劑,用0.5mol·L-1EDTA(Na2H2Y)標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至呈藍(lán)紫色(La3++H2Y2-=LaY-+2H+),消耗EDTA溶液60.00mL。則產(chǎn)品中碳酸鑭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=________。解析(1)①儀器X的名稱為球形干燥管;檢驗裝置甲氣密性良好的方法是關(guān)閉活塞K1,向球形漏斗中加水至漏斗內(nèi)外形成液面差,一段時間后,液面差保持不變,說明氣密性良好。②氨氣是極易溶于水的氣體,先通氨氣,在堿性條件下再通入二氧化碳,溶解的量較大,故實驗中先打開K2再打開K1;為保證碳酸鑭的純度,實驗過程中需要控制氨氣(或CO2)通入量。(2)①碳酸氫鈉分別與La3+、H+反應(yīng),反應(yīng)的離子方程式為2La3++3HCOeq\o\al(-,3)=La2(CO3)3↓+3H+和H++HCOeq\o\al(-,3)=CO2↑+H2O。②選擇碳酸氫鈉溶液制備碳酸鑭的優(yōu)點(diǎn)是碳酸氫鈉堿性相對較弱,可防止生成堿式碳酸鑭[La(OH)CO3]。(3)滴定時消耗EDTA的物質(zhì)的量為60.00×10-3L×0.5mol·L-1=0.03mol,根據(jù)反應(yīng)La3++H2Y2-=LaY-+2H+可知,La2(CO3)3的物質(zhì)的量為0.015mol即eq\f(0.03,2)mol,產(chǎn)品中碳酸鑭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=eq\f(\f(0.03,2)mol×458g·mol-1,15.0g)×100%=45.8%。答案(1)①球形干燥管關(guān)閉活塞K1,向球形漏斗中加水至漏斗內(nèi)外形成液面差,一段時間后,液面差保持不變,說明氣密性良好②先打開K2,再打開K1控制氨氣(或CO2)通入量(2)①2La3++3HCOeq\o\al(-,3)=La2(CO3)3↓+3H+H++HCOeq\o\al(-,3)=CO2↑+H2O②碳酸氫鈉堿性相對較弱,可防止生成堿式碳酸鑭(3)45.8%4.(2018·課標(biāo)全國Ⅰ,26)醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]為磚紅色晶體,難溶于冷水,易溶于酸,在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑,將三價鉻還原為二價鉻;二價鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實驗裝置如圖所示?;卮鹣铝袉栴}:(1)實驗中所用蒸餾水均需經(jīng)煮沸后迅速冷卻,目的是_______________________
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