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第1節(jié)原子結(jié)構(gòu)模型課程標(biāo)準(zhǔn)1.了解玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基本觀點(diǎn)及如何用其解釋氫原子光譜的特點(diǎn)。2.能用量子力學(xué)對(duì)原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述,知道核外電子在一定條件下會(huì)發(fā)生躍遷。
學(xué)法指導(dǎo)1.通過(guò)閱讀教材P4“追根尋源”中的知識(shí)理解玻爾理論。2.通過(guò)閱讀教材P4“聯(lián)想·質(zhì)疑”及相關(guān)內(nèi)容了解能級(jí)和原子軌道。3.結(jié)合氫原子和鈉原子光譜體會(huì)電子的自旋狀態(tài)。4.類比數(shù)學(xué)中函數(shù)與函數(shù)圖像之間的關(guān)系學(xué)習(xí)原子軌道的圖形描述。知識(shí)點(diǎn)一
氫原子光譜和玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型1.原子結(jié)構(gòu)模型的演變時(shí)間或年代原子結(jié)構(gòu)模型科學(xué)家及模型1803年________________________1904年________________________道爾頓實(shí)心球原子模型(原子論)湯姆孫“葡萄干布丁”模型1911年________________________1913年________________________20世紀(jì)20年代中期________________________盧瑟福原子結(jié)構(gòu)的核式模型玻爾核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型量子力學(xué)模型2.光譜及氫原子光譜(1)光譜①含義:利用原子光譜儀將物質(zhì)________或________的頻率(或波長(zhǎng))和強(qiáng)度分布記錄下來(lái)的譜線。②形成原因:電子在不同軌道間________時(shí),會(huì)輻射或吸收能量。(2)氫原子光譜:實(shí)驗(yàn)證明,氫原子光譜是由具有特定波長(zhǎng)、彼此分立的譜線組成的________光譜。吸收的光發(fā)射的光躍遷線狀3.玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型(1)基本觀點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞________運(yùn)動(dòng),并且不輻射能量能量分布在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有________的能量,而且能量值是________的。軌道能量值依n(量子數(shù))值(1、2、3…)的增大而________電子躍遷對(duì)氫原子而言,電子處在n=1的軌道時(shí)能量最低,這種狀態(tài)稱為_(kāi)_______;能量高于基態(tài)能量的狀態(tài)稱為_(kāi)_______。電子在能量不同的軌道之間躍遷時(shí),輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)出來(lái)并被記錄時(shí),就形成了________原子核不同不連續(xù)升高基態(tài)激發(fā)態(tài)光譜(2)貢獻(xiàn)①成功地解釋了氫原子光譜是________的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。②闡明了原子光譜源自核外電子在能量不同的軌道之間的躍遷,指出電子所處的軌道的能量是________的。線狀光譜量子化
(3)霓虹燈發(fā)光原理霓虹燈的發(fā)光機(jī)制與氫原子光譜形成的機(jī)制基本相同。對(duì)霓虹燈而言,燈管中填充的氣體不同,在高電壓的激發(fā)下發(fā)出的光的顏色就不同。例如,在燈管中充入氖氣,通電后在電場(chǎng)作用下,放電管里氖原子中的電子吸收能量后激發(fā)到能量較高的軌道,但處在能量較高軌道上的電子會(huì)很快以光的形式輻射能量而躍遷回能量較低的軌道,所發(fā)出的光的波長(zhǎng)恰好位于可見(jiàn)光區(qū)域中的紅色波段,所以我們看到的是紅色光。通電后氬氣發(fā)藍(lán)紫色光、氦氣發(fā)粉紅色光等也是同樣的道理。學(xué)思用1.判斷下列說(shuō)法是否正確,正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”。(1)原子核外電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)。(
)(2)氫原子核外只有一個(gè)電子,故氫原子光譜只有一條譜線。(
)(3)基態(tài)氫原子轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)氫原子時(shí)釋放能量。(
)(4)玻爾理論不能解釋在有外加磁場(chǎng)時(shí)氫原子光譜有多條譜線。(
)×××√2.下列圖像中所發(fā)生的現(xiàn)象與電子躍遷無(wú)關(guān)的是(
)答案:D解析:平面鏡成像為物理學(xué)原理中的光學(xué)現(xiàn)象,與電子躍遷無(wú)關(guān)。知識(shí)點(diǎn)二
量子力學(xué)對(duì)原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述1.核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述(1)電子層(n)分層標(biāo)準(zhǔn)電子離核的遠(yuǎn)近取值123456符號(hào)________________________能量________離核________K
L
M
N
O
P
低→高近→遠(yuǎn)(2)能級(jí)不同能級(jí)s
p
d
f(3)原子軌道(4)自旋運(yùn)動(dòng):處于同一原子軌道上的電子自旋狀態(tài)只有____種,分別用符號(hào)“____”和“____”表示。表述單個(gè)電子在原子核外的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各能級(jí)上對(duì)應(yīng)的原子軌道數(shù)nsnpndnf________________1357兩↑↓2.原子軌道的圖形描述和電子在核外的空間分布(1)原子軌道的圖形描述①表述:原子中單個(gè)電子的____________即原子軌道。②形狀:(2)電子云圖①表述:描述電子在核外空間某處單位體積內(nèi)的________的圖形。②含義:用單位體積內(nèi)小點(diǎn)的疏密程度來(lái)表示電子在原子核外某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)________的大小。s軌道________p軌道相對(duì)于x、y、z軸對(duì)稱,呈啞鈴形(∞)空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)球形概率分布概率微點(diǎn)撥(1)s軌道為球形,p軌道為“∞”形,并不是說(shuō)s能級(jí)電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng),p能級(jí)電子繞核做“∞”形運(yùn)動(dòng)。(2)電子云圖中的一個(gè)小黑點(diǎn),不代表一個(gè)電子。(3)離核越近,電子在單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率越大。(4)核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包含電子所處的電子層、能級(jí)、原子軌道和自旋四個(gè)方面,它與電子在核外的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是有區(qū)別的,空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不包括電子的自旋,如:Li的基態(tài)原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為3種,但空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為2種。學(xué)思用1.判斷下列說(shuō)法是否正確,正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”。(1)各能級(jí)的原子軌道數(shù)按s、p、d、f順序依次為1、3、5、7。(
)(2)p電子的原子軌道呈啞鈴形,s電子的原子軌道呈球形。(
)(3)各電子層的能級(jí)都是從s能級(jí)開(kāi)始至f能級(jí)結(jié)束。(
)(4)各電子層含有的能級(jí)數(shù)為n2,各電子層含有的電子數(shù)為2n2個(gè)。(
)(5)pz軌道電子先沿z軸正半軸運(yùn)動(dòng),然后再沿負(fù)半軸運(yùn)動(dòng)。(
)√√×××2.圖①和圖②分別是1s電子的概率密度分布圖和電子云輪廓圖。下列認(rèn)識(shí)正確的是(
)A.圖①中的每個(gè)小黑點(diǎn)表示1個(gè)電子B.圖②表明1s電子云呈球形,有無(wú)數(shù)條對(duì)稱軸C.圖②表示1s電子只能在球體內(nèi)出現(xiàn)D.不同能層的s電子云的半徑相等答案:B解析:電子云只表示電子在原子核外空間出現(xiàn)的概率密度,小黑點(diǎn)并不表示電子,A項(xiàng)錯(cuò)誤;電子云輪廓圖是把電子在原子核外空間出現(xiàn)概率為90%的空間圈出來(lái)繪制而成的,電子在這一空間出現(xiàn)的概率大,不表示電子不能在這一空間外出現(xiàn),C項(xiàng)錯(cuò)誤;s電子云的半徑隨能層序數(shù)的增大而增大,D項(xiàng)錯(cuò)誤。提升點(diǎn)一
氫原子光譜和玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型1.玻爾原子結(jié)構(gòu)模型(1)內(nèi)容歸納①原子光譜源自核外電子在能量不同的軌道之間的躍遷;②電子所處的軌道的能量是量子化的;③電子躍遷吸收(或放出)的能量也是量子化的。(2)局限性:玻爾理論中只引入一個(gè)量子數(shù)n,只能解釋氫原子光譜是線狀光譜。無(wú)法解釋多電子原子光譜的復(fù)雜現(xiàn)象及其在外磁場(chǎng)存在的譜線分裂現(xiàn)象,需要引入更多的量子數(shù)。2.光譜分類互動(dòng)探究問(wèn)題1
為什么氫原子光譜是由具有特定波長(zhǎng)、彼此分立的譜線組成的?
提示:根據(jù)玻爾理論,電子所處的軌道的能量是量子化的,軌道間的能量差也是確定的,因此形成的是具有特定波長(zhǎng)的線狀光譜。問(wèn)題2
在日常生活中,我們看到許多可見(jiàn)光,如焰火、霓虹燈光、激光、螢光、LED燈光……這些光產(chǎn)生的原因是什么?
提示:產(chǎn)生的光都與原子核外電子躍遷釋放能量有關(guān)。典例示范[典例1]
(雙選)激發(fā)態(tài)原子和基態(tài)原子可以通過(guò)電子躍遷的方式相互轉(zhuǎn)換,躍遷過(guò)程中可得到原子光譜,下列說(shuō)法正確的是(
)A.LED燈發(fā)光與電子躍遷有關(guān)B.以上實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得的是氫原子的吸收光譜C.電子僅從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生原子光譜D.原子光譜可以用于定性鑒定元素答案:AD解析:該實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得的是氫原子的發(fā)射光譜,B項(xiàng)錯(cuò)誤;原子光譜包括吸收光譜和發(fā)射光譜,電子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生的原子光譜屬于發(fā)射光譜,電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)產(chǎn)生的原子光譜屬于吸收光譜,C項(xiàng)錯(cuò)誤。素養(yǎng)訓(xùn)練[訓(xùn)練1]對(duì)充有氖氣的霓虹燈通電,燈管發(fā)出紅色的光。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是(
)A.電子由較高能量的激發(fā)態(tài)向較低能量的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)躍遷時(shí)以光的形式釋放能量B.電子由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時(shí)吸收除紅光以外的光C.氖原子獲得電子后轉(zhuǎn)變成能發(fā)出紅光的物質(zhì)D.在電流的作用下,氖原子與構(gòu)成燈管的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)答案:A解析:在電流作用下,基態(tài)氖原子的電子吸收能量躍遷到較高能級(jí),變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子,這一過(guò)程要吸收能量,不會(huì)發(fā)出紅色的光;而電子從較高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能量的激發(fā)態(tài)乃至基態(tài)時(shí),將釋放能量,從而產(chǎn)生紅光,故A項(xiàng)正確。提升點(diǎn)二
核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述1.電子層數(shù)(n)、能級(jí)數(shù)、原子軌道數(shù)及最多容納電子數(shù)的關(guān)系電子層(n)1234…電子層符號(hào)KLMN…能級(jí)1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f…原子軌道數(shù)1131351357…最多容納的電子數(shù)每個(gè)能級(jí)2262610261014…每個(gè)電子層281832…能量K<L<M<N<…2.不同原子軌道能量高低的關(guān)系互動(dòng)探究問(wèn)題1
每個(gè)電子層上都有s、p、d、f能級(jí)嗎?
提示:并不是每個(gè)電子層上都有s、p、d、f能級(jí)。由于電子層數(shù)等于該電子層上的能級(jí)的數(shù)目,如K層只有s能級(jí),L層只有s、p能級(jí)。問(wèn)題2
Na原子核外有多少個(gè)電子?有多少種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定因素有哪些?
提示:11;11;電子層、能級(jí)、原子軌道、自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)共同決定了原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即一個(gè)原子中不存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子。
問(wèn)題3
如何比較兩個(gè)原子軌道能量的高低?提示:①原子軌道的能量取決于電子層和能級(jí),若兩者相同則能量相等,如npx=npy=npz。②相同電子層不同能級(jí)的原子軌道能量的高低:ns<np<nd<nf。③不同電子層相同能級(jí)的原子軌道能量的高低:1s<2s<3s<4s。典例示范[典例2]下列有關(guān)電子層和能級(jí)的敘述中正確的是(
)A.M電子層有s、p共2個(gè)能級(jí),最多能容納8個(gè)電子B.3d能級(jí)最多容納5個(gè)電子,3f能級(jí)最多容納7個(gè)電子C.無(wú)論哪一電子層的s能級(jí),最多容納的電子數(shù)均為2D.任一電子層都有s、p能級(jí),但不一定有d能級(jí)答案:C解析:A項(xiàng),M電子層有s、p、d共3個(gè)能級(jí),最多容納18個(gè)電子;B項(xiàng),3d能級(jí)最多容納10個(gè)電子且不存在3f能級(jí);D項(xiàng),K電子層只有s能級(jí),不含有p能級(jí)。素養(yǎng)訓(xùn)練[訓(xùn)練2]根據(jù)所學(xué)知識(shí),回答下列問(wèn)題:(1)K層有________個(gè)能級(jí),用符號(hào)表示為_(kāi)_______;L層有________個(gè)能級(jí),用符號(hào)分別表示為_(kāi)_______;M層有________個(gè)能級(jí),用符號(hào)分別表示為_(kāi)_________。由此可推知第n電子層有______個(gè)能級(jí)。每個(gè)電子層中一定含有的能級(jí)符號(hào)為_(kāi)_______,其對(duì)應(yīng)的原子軌道電子云形狀為_(kāi)_______。(2)基態(tài)鈣原子電子占據(jù)的能量最高電子層符號(hào)是________,其核外共有________種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的電子。(3)比較下列多電子的原子軌道的能量高低(填“>”“<”或“=”)。2s________3s,2s________3d,2px________2py
,4f________6f。1
1s
2
2s、2p
33s、3p、3d
n
s球形N
20<<=<解析:(1)第n個(gè)電子層有n個(gè)能級(jí);每個(gè)電子層中都含有s能級(jí),s能級(jí)對(duì)應(yīng)的原子軌道電子云形狀為球形。(2)一個(gè)原子中,不存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子。(3)相同電子層上原子軌道能量由低到高的順序是ns<np<nd<nf;相同形狀的原子軌道能量由低到高的順序是1s<2s<3s<4s……同一電子層上形狀相同的原子軌道的能量相等。提升點(diǎn)三
原子軌道的圖形描述和電子在核外的空間分布1.原子軌道的圖形描述(1)s能級(jí)的原子軌道:特征:s能級(jí)的原子軌道是球形的,電子序數(shù)越大,原子軌道的半徑越大。原因:1s、2s、3s……電子的能量依次增高,電子在離核更遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)的概率逐漸增大,電子云越來(lái)越向更大的空間擴(kuò)展。因而2s電子云必然比1s電子云更稀疏。(2)p能級(jí)的原子軌道:特征:p能級(jí)的原子軌道是啞鈴形的,每個(gè)p能級(jí)有3個(gè)軌道,分別相對(duì)于x、y、z軸呈軸對(duì)稱,相互垂直,分別以px、py、pz為符號(hào)。p能級(jí)的原子軌道的平均半徑也隨著電子層序數(shù)的增大而增大。2.電子云圖(1)電子的特點(diǎn):質(zhì)量非常小、運(yùn)行速度極快、運(yùn)動(dòng)空間極小。(2)電子云圖的含義:由于微觀電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)與宏觀物體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)不同,人們不可能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定它的位置和速度,只能確定它在原子核外各處出現(xiàn)的概率。用單位體積內(nèi)小點(diǎn)的疏密程度來(lái)表示電子在原子核外某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)概率的大小?;?dòng)探究問(wèn)題1
電子云圖中的小黑點(diǎn)的含義是什么?小黑點(diǎn)的密度表示什么?
提示:小黑點(diǎn)是電子在原子核外出現(xiàn)的概率密度的形象描述。小黑點(diǎn)密度越大,表明電子在此處出現(xiàn)的概率越大。問(wèn)題2
電子在原子核外出現(xiàn)的概率有什么規(guī)律?提示:離原子核越近,電子出現(xiàn)的概率越大,電子云越密集。如2s電子云比1s電子云更稀疏(或彌散)。問(wèn)題3
已知N原子的L電子層的p能級(jí)上有2px、2py、2pz三個(gè)原子軌道,這三個(gè)p軌道上的電子的能量是否相同?三個(gè)p軌道的形狀是否相同?電子云在空間的伸展方向是否相同?提示:2px、2py、2pz表示的是相同能級(jí)上的原子軌道,其電子能量相同,這三個(gè)p軌道的電子云形狀相同,都是啞鈴形;電子云在空間的伸展方向互相垂直。典例示范[典例3]下列有關(guān)敘述正確的是(
)A.原子軌道和電子云都是用來(lái)形象地描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的B.因?yàn)閟軌道呈球形,所以電子在s軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)C.某基態(tài)多電子原子的3px、3py、3pz軌道上的電子的能量不同D.p能級(jí)的原子軌道半徑與能層序數(shù)無(wú)關(guān)答案:A解析:原子軌道和電子云都是用來(lái)描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),A項(xiàng)正確;電子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的,沒(méi)有固定的軌跡,B項(xiàng)錯(cuò)誤;3px、3py、3pz屬于同一能級(jí),其軌道上的電子的能量相同,C項(xiàng)錯(cuò)誤;p能級(jí)的原子軌道半徑隨能層序數(shù)的增大而增大,D項(xiàng)錯(cuò)誤。素養(yǎng)訓(xùn)練[訓(xùn)練3]人們把電子云輪廓圖稱為原子軌道,下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是(
)A.s電子的原子軌道都是球形的,2s電子比1s電子能量高且電子云比1s更擴(kuò)散B.p電子的原子軌道都是啞鈴形的,每個(gè)p能級(jí)有3個(gè)原子軌道,它們相互垂直,能量相同C.p電子能量一定高于s電子能量D.處于同一原子軌道的電子,自旋狀態(tài)有兩種答案:C解析:同一電子層上p電子能量高于s電子能量,不同電子層上p電子能量不一定高于s電子能量,如3s>2p。課
堂
總
結(jié)[知識(shí)導(dǎo)圖][誤區(qū)警示]1.同一電子層上的電子能量不一定相同,但同一能級(jí)上的電子能量一定相同。2.不同電子層的能級(jí)上的電子能量一定不同。3.處于同一個(gè)原子軌道上的電子有兩種不同的自旋狀態(tài)。在同一個(gè)原子中不存在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子。4.原子軌道不是固定軌跡,也不是圓周軌道,而是電子運(yùn)動(dòng)的空間,電子云圖是電子運(yùn)動(dòng)的概率圖,有一定的形狀和伸展方向。1.如圖①②③④原子結(jié)構(gòu)模型中依次符合盧瑟福、道爾頓、湯姆孫、玻爾的觀點(diǎn)的是(
)A.①②③④B.①②④③C.④①②③D.③④①②答案:B解析:盧瑟福提出了帶核的原子結(jié)構(gòu)模型,應(yīng)為圖①;道爾頓提出近代原子學(xué)說(shuō),他認(rèn)為原子是微小的不可分割的實(shí)心球體,應(yīng)為圖②;湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子,1904年提出“葡萄干布丁式”的原子結(jié)構(gòu)模型,應(yīng)為圖④;玻爾提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型,應(yīng)為圖③。2.下列關(guān)于多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的敘述正確的是(
)A.所有的電子在同一區(qū)域里運(yùn)動(dòng)B.在離原子核較近的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子能量較高,在離原子核較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子能量較低C.處于最低能量的原子叫基態(tài)原子D.同一原子中,4s、4p、4d、4f所能容納的電子數(shù)依次增多,各能級(jí)能量大小相等答案:C解析:在含有多個(gè)電子的原子里,電子分別在能量不同的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng),A錯(cuò)誤;在多個(gè)電子的原子中,電子的能量是不相同的,在離原子核較近的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子能量較低,在離原子核較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子能量較高,B錯(cuò)誤;處于最低能量的原子叫基態(tài)原子,當(dāng)基態(tài)原子的電子吸收能量后,電子會(huì)躍遷到較高能級(jí),變成激發(fā)態(tài)原子,C正確;同一原子中,4s、4p、4d、4f所能容納的電子數(shù)依次增多,但第四能層中,能級(jí)的能量大小不同:E(4s)<E(4p)<E(4d)<E(4f),所以D錯(cuò)誤。3.下列有關(guān)原子軌道的敘述中正確的是(
)A.氫原子的2s軌道能量較3p軌道高B.電子層n=4的原子軌道最多可容納16個(gè)電子C.p能級(jí)的原子軌道呈啞鈴形,隨著電子層序數(shù)的增加,p能級(jí)原子軌道也在增多D.鋰原子的2s與5s軌道皆為球形分布答案:D解析:H原子的2s軌道能量低于3p軌道,故A錯(cuò)誤;每個(gè)電子層最多能容納2n2個(gè)電子,所以電子層n=4的原子軌道最多可容納32個(gè)電子,故B錯(cuò)誤;所有的p能級(jí)軌道都含有3個(gè)軌道,所以隨著電子層序數(shù)的增加,p能級(jí)原子軌道不變,故C錯(cuò)誤;所有的s軌道電子云輪廓圖都是球形,所以鋰原子的2s與5s軌道皆為球形分布,故D正確。4.下列說(shuō)法正確的是(
)①原子中處于第三電子層的電子躍遷到第二電子層時(shí)會(huì)釋放能量;②M層可以有s、p、d、f能級(jí);③3pz表示有3個(gè)pz軌道;④
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