碳单质
例1 下列关于金刚石与石墨的说法中正确的是( )
A.都能导电 B.都是黑色固体
C.硬度都很小 D.都由碳元素组成
例2 C60在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。关于C60的叙述不正确的是( )
A.该物质由C60分子构成
B.该物质由60个碳原子构成
C.其相对分子质量为720
D.C60和C70是两种物质
例3 石墨烯可用机械剥离法从石墨中剥离制得。它是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体(如图),图中每一个小球代表一个碳原子。它是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。关于石墨烯,下列说法不正确的是( )
A.石墨烯和金刚石都由碳元素组成
B.石墨烯的导电性比银强
C.石墨烯中每个碳原子为三个六元环共用
D.从石墨中剥离出石墨烯属于物理变化
例4 按如图进行实验,下列分析或结论正确的是( )
A.导管口刚有气泡冒出说明反应开始
B.实验结束应立即倒出粉末
C.木炭能使氧化铜还原为铜
D.固体减少的质量一定等于生成二氧化碳质量
例5 某班同学取用相同总质量的木炭粉和氧化铜的混合物,按图示装置进行实验。实验过程中发现有的小组“黑色固体变红色”这一实验现象不明显。小组同学对此异常现象进行如下探究。
【知识回忆】碳和氧化铜反应的化学方程式为C+2CuO2Cu+CO2↑,理论上碳和氧化铜的质量比为_____。
【作出猜想】产生异常现象可能与所取用木炭粉和氧化铜的质量比有关。
【实验探究】小组同学用总质量相同但质量比不同的木炭粉和氧化铜的混合物(不考虑其中杂质),分别进行实验,部分实验现象记录如下:
实验序号 m(C):m(CuO) 实验后A处试管中固体颜色 C处导管口的现象
1 1:8 红色固体中有少量黑色固体 尾气燃烧
2 1:9 红色固体中有较少量黑色固体 尾气燃烧
3 1:10 红色固体中有很少量黑色固体 尾气不燃烧
4 1:11 红色固体中有极少量黑色固体 _____
5 1:12 红色固体中无黑色固体 尾气不燃烧
6 1:13 红色固体中有较多黑色固体 尾气不燃烧
【交流讨论】
(1)推测实验4中“C处导管口的现象”是___________。
(2)上述探究可得出,实验时所用木炭粉和氧化铜的质量比控制在1:10~1:12之间,可观察到黑色固体明显变红,同时还可减少___________(填化学式)排放,防止空气污染。
(3)检验实验6反应后A处试管中黑色固体物质,可滴加的试剂是___________,观察到的现象是___________。
【反思评价】分析发现,实验5中m(C):m(CuO)比值与理论值不符,实验后却无黑色固体残留。请用化学方程式解释实验中过量的黑色固体消失的原因:___________(写一个即可)。
例6 某兴趣小组在学习碳(C)的化学性质时,了解到高温下C与CuO反应生成CO2,C还能使CO2转变成CO。于是对过量木炭还原CuO的气体产物中是否含有CO进行了探究。
【猜想与假设】C还原CuO时产生的CO2与C进步反应生成CO,化学方程式是___________。
【查阅资料】CO不与NaOH、Ca(OH)2及H2SO4反应。
【实验方案】取研细和干燥后的木炭(0.3g)和CuO(2.0g),混合均匀并装入试管,连接装置,高温反应,检验气体。
【实验过程】(1)由如图装置③中粉末的颜色变化可检验CO,除此之外,还可通过几种装置的组合,由另一种明显的现象来进一步确定CO的存在,则装置连接的最佳顺序为___________→尾气处理(填字母)。
A①→②→③→④
B④→①→②→③→①
C①→④→①→③→②
B③→④→①→②
(2)上述进一步确定CO存在的现象是___________(装置③中粉末的颜色变化除外)。
(3)装置③中发生反应的化学方程式是___________。
(4)写出CO尾气处理的方法:___________(一种即可)。
【实验结论】高温下,过量木炭还原CuO的气体产物中有CO。
【延伸应用】冬天,室内用炭火取暖时,应注意___________。
例7 碳还原氧化铜的实验装置如图甲、乙所示。甲图中酒精灯上网罩的作用是___________。
【提出问题】碳燃烧时可能生成CO2也可能生成CO2,那么碳与氧化铜反应生成的气体是否也有多种可能?
【作出猜想】猜想I:CO;猜想Ⅱ:CO2;猜想Ⅲ:___________。
【设计方案】实验装置如图乙所示。打开K,缓缓通入干燥的氮气一段时间,关闭K,点燃酒精喷灯和酒精灯,充分反应后,熄灭酒精喷灯和酒精灯,打开K,再通入一段时间氮气。
方案一:从定性观察角度判断
(1)实验时装置A处的现象是___________。
(2)若B中无明显现象,D处的气体能点燃,则猜想___________(填序号)成立。
方案二:从定量计算角度判断:取一定量碳粉和4g氧化铜的混合物进行实验,并测定表格中的四个数据:
反应前的质量 反应后的质量
A(玻璃管+固体) m1 m2
B+C(广口瓶+混合液) m3 m4
(3)若猜想Ⅱ成立,则理论上(m4-m3)___________(m1-m2)(填“>”“<”或“=”)。
(4)若猜想Ⅲ成立且CuO全部转化成Cu,则参加反应的碳粉的质量m的取值范围是___________。
【交流反思】实验开始前缓缓通入氮气的目的是___________。
例8 为探究碳还原氧化铜的最佳实验条件,用木炭粉和氧化铜的干燥混合物1~2.5g进行系列实验。
【查阅资料】①氧化铜(CuO)为黑色固体。
②碳还原氧化铜得到的铜中可能含有少量的氧化亚铜;氧化亚铜为红色固体,能与稀硫酸反应:Cu2O+H2SO4=CuSO4+H2O+Cu。
【进行实验】实验1:取质量比1﹕11的木炭粉和氧化铜混合物1.3g,进行实验。
序 号 1-1 1-2
装 置
反应后物质的颜色、状态 黑色粉末中混有少量红色固体 红色固体有金属光泽,混有极少量黑色物质
实验2:取一定量的混合物,用1-2装置进行实验。
序号 木炭粉与氧化铜的质量比 反应后物质的颜色、状态
2-1 1﹕9 红色固体有金属光泽 混有少量黑色物质
2-2 1﹕10 混有很少量黑色物质
2-3 1﹕11 混有极少量黑色物质
2-4 1﹕12 无黑色物质
2-5 1﹕13 混有较多黑色物质
【解释与结论】
(1)配平化学方程式: ___C+___CuO___Cu+___CO2↑。
(2)实验1-2中,证明产生了CO2的现象是______________。
(3)实验1的目的是____________。
(4)实验2的结论是___________。
【反思与评价】
(5)实验2没有进行质量比为1﹕14的实验,理由是____________ 。
(6)为检验2-4的红色固体中是否含Cu2O,所需试剂是____________。
跟踪练习 1.金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质,但物理性质差异很大,原因是( )
A.原子排列方式不同 B.原子大小不同
C.原子数目不同 D.原子种类不同
2. (1)金刚石、石墨、C60是由碳元素组成的三种不同单质,它们的化学性质相似,但物理性质相差很大。其原因是___________。
(2)写出石墨充分燃烧的化学方程式___________;工业上可以将石墨制作成电极(石墨电极)的原因是___________。
(3)木炭的主要成分与上述三种物质相同。木炭完全燃烧的产物能使紫色石蕊溶液变红,其原因是(用化学方程式进行说明)___________。
3.2019年碳家族再添新成员,某研究小组合成出第一个由18个碳原子构成的环状纯碳分子,其结构如图所示。回答:
(1)碳原子的结构示意图为,其最外层电子数是________________。若碳元素在化合物中的化合价为+4价,写出一种符合要求的化合物的化学式________________。
(2)尝试写出环状纯碳分子的化学式________________。
4.如图为木炭还原氧化铜的实验装置。请回答下列问题。
(1)试管A中发生反应的化学方程式是____________。
(2)酒精灯加网罩的作用是____________。
(3)实验中,试管B中发生反应的化学方程式是____________。
(4)若要使80g氧化铜完全被还原,试管A中实际加入的碳的质量应_______6g。(选填“>”“<”或“=”)
碳单质
例1 下列关于金刚石与石墨的说法中正确的是( )
A.都能导电 B.都是黑色固体
C.硬度都很小 D.都由碳元素组成
解析 金刚石不能导电,石墨具有良好的导电性,A错误;石墨是灰黑色固体,金刚石是无色透明的固体,B错误;金刚石是天然存在的最硬的物质,石墨是自然界中最软的物质之一,C错误;金刚石、石墨都是由碳元素组成的单质,D正确。
答案 D
例2 C60在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。关于C60的叙述不正确的是( )
A.该物质由C60分子构成
B.该物质由60个碳原子构成
C.其相对分子质量为720
D.C60和C70是两种物质
解析 C60是由C60分子构成,A正确;每个C60分子由60个碳原子构成,B错误;C60相对分子质量为,C正确;C60和C70的分子构成不同,性质不同中,不属于同种物质,D正确。
答案 B
例3 石墨烯可用机械剥离法从石墨中剥离制得。它是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体(如图),图中每一个小球代表一个碳原子。它是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。关于石墨烯,下列说法不正确的是( )
A.石墨烯和金刚石都由碳元素组成
B.石墨烯的导电性比银强
C.石墨烯中每个碳原子为三个六元环共用
D.从石墨中剥离出石墨烯属于物理变化
解析 石墨烯和金刚石都由碳元素组成,A正确;由题意可知,石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,所以石墨烯的导电性比银强,B正确;由石墨烯的结构可知,石墨烯中每个碳原子为三个六元环共用,C正确;石墨与石墨烯属于不同物质,从石墨中剥离出石墨烯属于化学变化,D错误。
答案 D
例4 按如图进行实验,下列分析或结论正确的是( )
A.导管口刚有气泡冒出说明反应开始
B.实验结束应立即倒出粉末
C.木炭能使氧化铜还原为铜
D.固体减少的质量一定等于生成二氧化碳质量
解析 导管口刚开始冒出的气泡是装置内的空气,不能说明反应开始,A错误;实验结束应待试管冷却至室温后倒出粉末,防止生成的铜被氧气氧化,B错误;木炭与氧化铜反应生成铜和二氧化碳,木炭夺取了氧化铜中的氧,将氧化铜还原为铜,C正确;反应物木炭能与试管内空气中的氧气反应生成二氧化碳,参加反应的物质中有氧气,根据质量守恒定律,生成CO2的质量和生成铜的质量等于参加反应的木炭、氧化铜及氧气的质量和,固体减少的质量不一定等于生成二氧化碳的质量,D错误。
答案 C
例5 某班同学取用相同总质量的木炭粉和氧化铜的混合物,按图示装置进行实验。实验过程中发现有的小组“黑色固体变红色”这一实验现象不明显。小组同学对此异常现象进行如下探究。
【知识回忆】碳和氧化铜反应的化学方程式为C+2CuO2Cu+CO2↑,理论上碳和氧化铜的质量比为_____。
【作出猜想】产生异常现象可能与所取用木炭粉和氧化铜的质量比有关。
【实验探究】小组同学用总质量相同但质量比不同的木炭粉和氧化铜的混合物(不考虑其中杂质),分别进行实验,部分实验现象记录如下:
实验序号 m(C):m(CuO) 实验后A处试管中固体颜色 C处导管口的现象
1 1:8 红色固体中有少量黑色固体 尾气燃烧
2 1:9 红色固体中有较少量黑色固体 尾气燃烧
3 1:10 红色固体中有很少量黑色固体 尾气不燃烧
4 1:11 红色固体中有极少量黑色固体 _____
5 1:12 红色固体中无黑色固体 尾气不燃烧
6 1:13 红色固体中有较多黑色固体 尾气不燃烧
【交流讨论】
(1)推测实验4中“C处导管口的现象”是___________。
(2)上述探究可得出,实验时所用木炭粉和氧化铜的质量比控制在1:10~1:12之间,可观察到黑色固体明显变红,同时还可减少___________(填化学式)排放,防止空气污染。
(3)检验实验6反应后A处试管中黑色固体物质,可滴加的试剂是___________,观察到的现象是___________。
【反思评价】分析发现,实验5中m(C):m(CuO)比值与理论值不符,实验后却无黑色固体残留。请用化学方程式解释实验中过量的黑色固体消失的原因:___________(写一个即可)。
解析 【知识回忆】根据化学方程式C+2CuO2Cu+CO2↑,可以看出碳和氧化铜恰好反应的质量比为12:160=3:40。【交流讨论】(1)在木炭粉和氧化铜的质量比大于等于1:9时,红色固体中有少量黑色固体,尾气燃烧,说明此时碳过量,生成较多的一氧化碳;在质量比等于1:10时,红色固体中有很少量黑色固体,尾气不燃烧,说明随着反应物中碳的比例减少,生成的一氧化碳在减少,二氧化碳的比例在增加;在质量比等于1:11时,反应物中碳的含量进一步减少,尾气不燃烧。(2)在木炭粉和氧化铜的质量比控制在1:10和1:12之间时,生成的一氧化碳很少,可以少一氧化碳排放造成的污染。(3)根据实验结果,实验6中剩余的黑色物质为未反应约氧化铜,氧化铜可与稀硫酸(或稀盐酸)反应生成硫酸铜(或氯化铜)和水,氧化铜溶解后,硫酸铜(或氯化铜)溶液为蓝色,所以可以看到黑色固体溶解,溶液由无色变为蓝色的现象。【反思评价】实验5中m(C):m(CuO)比值比理论值大,实验后却无黑色固体残留,说明碳和氧化铜都被消耗完毕,说明多出的碳与装置中的氧气或二氧化碳反应了,化学方程式为2C+O22CO、C+O2CO2、C+CO22CO。
答案 【知识回忆】(1)12:160(或3:40) 【交流讨论】(1)尾气不燃烧 (2)CO (3)稀硫酸(或稀盐酸等,写化学式也可) 黑色固体逐渐消失,溶液由无色变
蓝色 【反思评价】2C+O22CO(或C+O2CO2、C+CO22CO,写一个即可)
例6 某兴趣小组在学习碳(C)的化学性质时,了解到高温下C与CuO反应生成CO2,C还能使CO2转变成CO。于是对过量木炭还原CuO的气体产物中是否含有CO进行了探究。
【猜想与假设】C还原CuO时产生的CO2与C进步反应生成CO,化学方程式是___________。
【查阅资料】CO不与NaOH、Ca(OH)2及H2SO4反应。
【实验方案】取研细和干燥后的木炭(0.3g)和CuO(2.0g),混合均匀并装入试管,连接装置,高温反应,检验气体。
【实验过程】(1)由如图装置③中粉末的颜色变化可检验CO,除此之外,还可通过几种装置的组合,由另一种明显的现象来进一步确定CO的存在,则装置连接的最佳顺序为___________→尾气处理(填字母)。
A①→②→③→④
B④→①→②→③→①
C①→④→①→③→②
B③→④→①→②
(2)上述进一步确定CO存在的现象是___________(装置③中粉末的颜色变化除外)。
(3)装置③中发生反应的化学方程式是___________。
(4)写出CO尾气处理的方法:___________(一种即可)。
【实验结论】高温下,过量木炭还原CuO的气体产物中有CO。
【延伸应用】冬天,室内用炭火取暖时,应注意___________。
解析 【猜想与假设】碳与二氧化碳在高温下反应生成一氧化碳,据此书写该反应的化学方程式。【实验过程】(1)碳与氧化铜反应生成的气体是二氧化碳和一氧化碳,若要检验一氧化碳的存在,应用氢氧化钠溶液除去二氧化碳,利用澄清石灰水证明剩余气体中不含二氧化碳,通过浓硫酸除去剩余气体中少量的水蒸气,再将气体通过灼热的氧化铜,最后将反应后的气体通过澄清石灰水,若澄清石灰水变浑浊,则证明一氧化碳的存在,故连接顺序为④→①→②→③→①。(3)一氧化碳与氧化铜反应生成单质铜和二氧化碳,条件是加热,据此书写该反应的化学方程式。(4)一氧化碳有毒,排放到空气中会污染环境,因此可用点燃或系上一个气球收集的方法处理尾气。【延伸应用】炭火不充分燃烧会生成一氧化碳,一氧化碳有毒,用炭火取暖时应注意通风。
答案 【猜想与假设】C+CO22CO 【实验过程】(1)B (2)装置③前的澄清石灰水不变浑浊,而装置③后的澄清石灰水变浑浊 (3)CO+CuOCu+CO2 (4)点燃尾气(或用气球收集) 【延伸应用】保持室内通风,防止CO中毒
例7 碳还原氧化铜的实验装置如图甲、乙所示。甲图中酒精灯上网罩的作用是___________。
【提出问题】碳燃烧时可能生成CO2也可能生成CO2,那么碳与氧化铜反应生成的气体是否也有多种可能?
【作出猜想】猜想I:CO;猜想Ⅱ:CO2;猜想Ⅲ:___________。
【设计方案】实验装置如图乙所示。打开K,缓缓通入干燥的氮气一段时间,关闭K,点燃酒精喷灯和酒精灯,充分反应后,熄灭酒精喷灯和酒精灯,打开K,再通入一段时间氮气。
方案一:从定性观察角度判断
(1)实验时装置A处的现象是___________。
(2)若B中无明显现象,D处的气体能点燃,则猜想___________(填序号)成立。
方案二:从定量计算角度判断:取一定量碳粉和4g氧化铜的混合物进行实验,并测定表格中的四个数据:
反应前的质量 反应后的质量
A(玻璃管+固体) m1 m2
B+C(广口瓶+混合液) m3 m4
(3)若猜想Ⅱ成立,则理论上(m4-m3)___________(m1-m2)(填“>”“<”或“=”)。
(4)若猜想Ⅲ成立且CuO全部转化成Cu,则参加反应的碳粉的质量m的取值范围是___________。
【交流反思】实验开始前缓缓通入氮气的目的是___________。
解析 酒精灯上的网罩可以集中火焰、提高温度。【作出猜想】碳与氧化铜在高温下反应生成二氧化碳,如果碳过量,碳会与二氧化碳在高温的条件下反应生成一氧化碳,故碳与氧化铜反应生成的气体可能是一氧化碳,还可能是二氧化碳,还可能是一氧化碳和二氧化碳的混合物。【设计方案】(1)碳与氧化铜在高温的条件下反应生成铜和二氧化碳,碳和氧化铜是黑色的,铜是红色的,故实验时装置A处的现象是黑色粉末变为(光亮的)红色。(2)二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,若B中无明显现象,说明无二氧化碳生成,一氧化碳具有可燃性,D处的气体能点燃,说明生成了一氧化碳,故猜想Ⅰ成立。(3)若猜想Ⅱ成立,说明反应生成的气体是二氧化碳,C+2CuO2Cu+CO2↑,玻璃管中,反应前后,减少的质量,就是反应生成的二氧化碳的质量,二氧化碳能被澄清石灰水吸收,m4-m3即吸收的二氧化碳的质量,即碳与氧化铜在高温下反应生成二氧化碳的质量,故理论上(m4-m3)=(m1-m2)。
(4)假设4g氧化铜与碳反应生成的气体全部是二氧化碳,则这时消耗碳的质量为x。
x= 0.3g
假设4g氧化铜与碳反应生成的气体全部是一氧化碳,则这时消耗碳的质量为y。
y=0.6g
猜想Ⅲ成立,说明生成的气体是一氧化碳和二氧化碳的混合物,故参加反应的碳粉的质量m的取值范围是:0.3g
【查阅资料】①氧化铜(CuO)为黑色固体。
②碳还原氧化铜得到的铜中可能含有少量的氧化亚铜;氧化亚铜为红色固体,能与稀硫酸反应:Cu2O+H2SO4=CuSO4+H2O+Cu。
【进行实验】实验1:取质量比1﹕11的木炭粉和氧化铜混合物1.3g,进行实验。
序 号 1-1 1-2
装 置
反应后物质的颜色、状态 黑色粉末中混有少量红色固体 红色固体有金属光泽,混有极少量黑色物质
实验2:取一定量的混合物,用1-2装置进行实验。
序号 木炭粉与氧化铜的质量比 反应后物质的颜色、状态
2-1 1﹕9 红色固体有金属光泽 混有少量黑色物质
2-2 1﹕10 混有很少量黑色物质
2-3 1﹕11 混有极少量黑色物质
2-4 1﹕12 无黑色物质
2-5 1﹕13 混有较多黑色物质
【解释与结论】
(1)配平化学方程式: ___C+___CuO___Cu+___CO2↑。
(2)实验1-2中,证明产生了CO2的现象是______________。
(3)实验1的目的是____________。
(4)实验2的结论是___________。
【反思与评价】
(5)实验2没有进行质量比为1﹕14的实验,理由是____________ 。
(6)为检验2-4的红色固体中是否含Cu2O,所需试剂是____________。
解析 (1)碳与氧化铜反应生成铜和二氧化碳的化学方程式为 C+2CuO2Cu+CO2↑。(2)二氧化碳与澄清石灰水反应生成不溶于水的白色沉淀碳酸钙,所以试管内澄清石灰水变浑浊可证明有二氧化碳生成。(3)将试管横放和竖放加热,试管内物质的受热面积是不同的,因此实验1探究的是木炭与氧化铜受热面积对其反应产物(生成物)的影响。(4)木炭粉和氧化铜都是黑色,铜是红色。由实验2反应后物质的颜色、状态可以得出,当木炭粉与氧化铜质量比为1﹕12时,恰好完全反应,所以,木炭与氧化铜反应的最佳质量比是1﹕12。(5)当木炭粉与氧化铜质量比为1﹕13时,CuO已过量,则不需要进行质量比为1﹕14的实验。(6)由题目提供的信息可知,木炭与氧化铜反应可能生成少量的氧化亚铜,氧化亚铜也显红色,其能与无色溶液稀硫酸反应生成硫酸铜、水和铜,硫酸铜溶液为蓝色,而铜不与稀硫酸反应,所以稀硫酸能区分铜中是否含有氧化亚铜。
答案 (1)1 2 2 1 (2)澄清石灰水变浑浊 (3)探究木炭粉与氧化铜的受热面积对其反应产物的影响 (4)木炭粉与氧化铜质量比为1﹕12时恰好完全反应,因此木炭粉与氧化铜反应的最佳质量比为1﹕12 (5)木炭粉与氧化铜质量比为1﹕13时,氧化铜已过量 (6)稀硫酸
跟踪练习 1.金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质,但物理性质差异很大,原因是( )
A.原子排列方式不同 B.原子大小不同
C.原子数目不同 D.原子种类不同
2. (1)金刚石、石墨、C60是由碳元素组成的三种不同单质,它们的化学性质相似,但物理性质相差很大。其原因是___________。
(2)写出石墨充分燃烧的化学方程式___________;工业上可以将石墨制作成电极(石墨电极)的原因是___________。
(3)木炭的主要成分与上述三种物质相同。木炭完全燃烧的产物能使紫色石蕊溶液变红,其原因是(用化学方程式进行说明)___________。
3.2019年碳家族再添新成员,某研究小组合成出第一个由18个碳原子构成的环状纯碳分子,其结构如图所示。回答:
(1)碳原子的结构示意图为,其最外层电子数是________________。若碳元素在化合物中的化合价为+4价,写出一种符合要求的化合物的化学式________________。
(2)尝试写出环状纯碳分子的化学式________________。
4.如图为木炭还原氧化铜的实验装置。请回答下列问题。
(1)试管A中发生反应的化学方程式是____________。
(2)酒精灯加网罩的作用是____________。
(3)实验中,试管B中发生反应的化学方程式是____________。
(4)若要使80g氧化铜完全被还原,试管A中实际加入的碳的质量应_______6g。(选填“>”“<”或“=”)
答案 1.A 2.(1)碳原子的排列方式不同 (2)C+O2CO2 石墨具有优良的导电性 (3)CO2+H2O═H2CO3 3.(1)4 CO2(合理即可) (2) C18
4.(1)2CuO+C2Cu+CO2↑ (2)集中火焰,提高温度 (3)CO2+Ca(OH)2= CaCO3↓+H2O (4)>
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