内容正文:
第三讲 电解池 金属的腐蚀与防护
|内|容|与|目|标|
1.理解电解池的构成及工作原理。
2.掌握氯碱工业、电解精炼、电镀、电冶金等的反应原理。
3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
逐点清(一) 电解池的工作原理
1.电解与电解池
2.电解工作原理
图示
分析
①电子流向:电源负极→阴极,阳极→电源正极;
②离子移动方向:阳离子移向阴极,阴离子移向阳极;
③电流闭合:电源正极→阳极→溶液→阴极→电源负极
3.电解规律
(1)阳极产物的判断
①活性电极(除Au、Pt外的金属)作阳极,则活性电极失去电子,发生氧化反应。
②惰性电极(Pt、石墨等)作阳极,要依据阴离子的放电顺序判断。阴离子的放电顺序:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。S2-、I-、Br-、Cl-放电,产物分别是S、I2、Br2、Cl2;若OH-放电,则得到H2O和O2。
(2)阴极产物的判断
直接根据阳离子放电顺序进行判断。
阳离子放电顺序:Ag+>Hg2+>Fe3+>C>H+(酸)>Pb2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+。
4.用惰性电极电解电解质溶液的三种类型
(1)电解水型
实例H2SO4
①电极反应式及总反应式
阴极:2H++2e-==H2↑
阳极:2H2O-4e-==4H++O2↑
总反应式:2H2O2H2↑+O2↑
②电解质溶液浓度:增大(增大/减小)。
③复原方法:加水。
(2)电解电解质型
实例Ⅰ HCl
①电极反应式及总反应式
阴极:2H++2e-==H2↑
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑
总反应式:2HClH2↑+Cl2↑
②电解质溶液浓度:减小(增大/减小)。
③复原方法:通入HCl。
实例Ⅱ CuCl2
①电极反应式及总反应式
阴极:Cu2++2e-==Cu
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑
总反应式:CuCl2Cu+Cl2↑
②电解质溶液浓度:减小(增大/减小)。
③复原方法:加CuCl2固体。
(3)电解质和水均参与电解型
实例Ⅰ NaCl、KCl(放H2生碱)
①电极反应式及总反应式
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑
阴极:2H2O+2e-==H2↑+2OH-
总反应式:2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-
②电解质溶液浓度:减小并生成新电解质。
③复原方法:通入HCl气体。
实例Ⅱ CuSO4、Cu(NO3)2(放O2生酸)
①电极反应式及总反应式
阳极:2H2O-4e-==4H++O2↑
阴极:Cu2++2e-==Cu
总反应式:2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+
②电解质溶液浓度:减小并生成新电解质。
③复原方法:加CuO或CuCO3。
小结:电解后如果使溶液复原,遵循出来什么加什么,出来多少加多少的原则。
|基|础|落|实|小|练|
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)阳极失去的电子经过直流电源,流向阴极 (×)
(2)电解池中的电解质可能是熔融状态或固体电解质 (√)
(3)电解池中的阳极和直流电源中的负极均发生氧化反应 (√)
(4)用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,加入Cu(OH)2可使电解质溶液恢复到电解前的情况 (×)
(5)电解盐酸和稀硫酸,H+放电,溶液的pH逐渐增大 (×)
(6)用Cu作电极电解CuSO4溶液的阳极反应式为2H2O-4e-==O2↑+4H+ (×)
2.下图所示为电解氯化铜溶液的装置及其产物。
(1)通电前,CuCl2溶液中存在的离子有哪些?
(2)在氯化铜溶液中除Cu2+和Cl-之外还有H+和OH-,这两种离子为什么没有得到或失去电子?
提示:(1)有Cu2+、H+、Cl-、OH-四种离子,因为存在CuCl2==Cu2++2Cl-,H2O⇌H++OH-。
(2)电解时,溶液中离子的放电先后顺序与离子的氧化性或还原性有关,氧化性强的阳离子先得电子被还原,还原性强的阴离子先失电子被氧化。Cu2+比H+更容易得电子,而Cl-比OH-更容易失电子,可从氧化性强弱的角度比较得电子的顺序,从还原性强弱的角度比较失电子的顺序。
题点、考法讲评
一、电解池的工作原理
1.用Pt电极电解饱和Na2CO3溶液的装置如图所示,两极均有气体生成,c电极附近产生可燃性气体,澄清石灰水无浑浊现象。下列说法正确的是 ( )
A.a为电源正极 B.c电极附近生成了CH4
C.电子的流动方向:c→溶液→d D.反应后恢复到原温度,溶液pH不变
解析:选D 用Pt电极电解饱和Na2CO3溶液,阳极是水电离出的OH-放电,电极反应式为4OH--4e-==2H2O+O2↑,阴极是水电离出的H+放电,电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,c电极附近产生可燃性气体,则c电极为阴极,d电极为阳极,a为电源负极,b为电源正极。
2.用惰性电极进行电解,下列说法正确的是 ( )
A.电解NaNO3溶液,在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为2∶1
B.电解足量CuSO4溶液一段时间后,加入一定质量的Cu(OH)2,溶液能与原溶液完全相同
C.电解硫酸钠溶液时,Na+向阳极移动
D.电解KOH溶液,实质是电解水,故溶液pH不变
解析:选A 电解NaNO3溶液,在阴极上析出H2,阳极上析出O2,电解时两极转移电子数相同,则其物质的量之比为2∶1,A正确;电解硫酸铜溶液得到硫酸、铜、氧气,则加入一定质量的Cu(OH)2,比原溶液增加了水,应加氧化铜或者CuCO3,B错误;电解池中阳离子向阴极移动,故电解硫酸钠溶液时,Na+向阴极移动,C错误;电解KOH溶液实质是电解水,KOH浓度增大,溶液pH增大,D错误。
3.以惰性电极电解100 mL 0.05 mol·L-1 CuSO4溶液。
(1)阳极产生56 mL(标准状况下)气体时,所得溶液的pH为 (不考虑溶液体积变化),要使溶液恢复到电解前的状态,可加入 g的 物质。
(2)继续通电电解,此时被电解的物质为 ,若加入0.005 mol Cu(OH)2可使溶液复原,则电路中转移的电子为 mol。
(3)通电一段时间,加入0.002 5 mol Cu2(OH)2CO3可使溶液复原,则电路中转移的电子为 mol。
解析:(1)阳极生成56 mL(标准状况)即0.002 5 mol O2,依据总反应式:2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,溶液中生成0.01 mol H+,c(H+)=0.1 mol·L-1,pH=1;电解生成0.002 5 mol O2 和0.005 mol Cu,故要使溶液复原可加0.005 mol CuO,质量为0.4 g或加0.005 mol CuCO3,质量为0.62 g。(2)继续通电电解,电解质溶液为H2SO4溶液,故实际被电解的物质为H2O;加入 0.005 mol Cu(OH)2可使溶液复原,相当于加入0.005 mol CuO和0.005 mol H2O,故转移电子为(0.005×2+0.005×2)mol=0.02 mol。(3)Cu2(OH)2CO3相当于2CuO·H2O·CO2,故转移的电子为0.005 mol×2+0.002 5 mol×2=0.015 mol。
答案:(1)1 0.4 CuO(或0.62 CuCO3)
(2)水(或H2O) 0.02 (3)0.015
二、电极反应式的书写
4.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式: ;
阴极反应式: ;
总反应离子方程式: 。
(2)以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式: ;
阴极反应式: ;
总反应方程式: 。
(3)KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图所示。
①电解时的阴极电极反应式为 ;
②电解时的阳极电极反应式为 。
解析:(3)①由题图知,阴极电解质溶液为氢氧化钾溶液,实质为电解水,电极反应式为2H2O+2e-==2OH-+H2↑。②依据电解目的,在阳极上发生氧化反应,单质碘失去电子生成I。
答案:(1)2Cl--2e-==Cl2↑ Mg2++2H2O+2e-==H2↑+Mg(OH)2↓ Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)2Al-6e-+3H2O==Al2O3+6H+ 2H++2e-==H2↑ 2Al+3H2OAl2O3+3H2↑
(3)①2H2O+2e-==2OH-+H2↑ ②I2+12OH--10e-==2I+6H2O
逐点清(二) 电解的应用
1.电解饱和食盐水
(1)电极反应
阴极:2H2O+2e-==H2↑+2OH-(还原反应);
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑(氧化反应);
总反应:2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑。
(2)应用:氯碱工业制烧碱、氢气和氯气。
2.电镀和电解精炼铜
电镀
电解精炼铜
示意图
阳极
Cu-2e-==Cu2+
先是粗铜中比铜活动性强的Zn、Fe等失电子,然后是Cu-2e-==Cu2+
阴极
Cu2++2e-==Cu
Cu2++2e-==Cu
电解质溶液
c(CuSO4)不变
c(CuSO4)变小
电镀时的注意事项
(1)一般用含有镀层金属阳离子的电解质溶液作电镀液。
(2)把待镀金属制品浸入电镀液中,与直流电源的负极相连,作阴极,发生还原反应;用镀层金属与直流电源的正极相连,作阳极,发生氧化反应。
3.电冶金
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
类型
总反应化学方程式
阳极、阴极反应式
冶炼钠
2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑
阴极:Na++e-==Na
冶炼镁
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑
阴极:Mg2++2e-==Mg
冶炼铝
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
阳极:2O2--4e-==O2↑
阴极:Al3++3e-==Al
(1)在镀件上电镀铜时,镀件应连接电源的正极 (×)
(2)电解精炼铜时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料 (√)
(3)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2作电解质溶液,由于放电顺序:H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌 (×)
题点、考法讲评
一、电解的常规应用
1.工业上利用电解食盐溶液制取盐酸和氢氧化钠的装置如图所示。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-。
下列有关说法错误的是 ( )
A.N表示阴离子交换膜
B.甲室流出的为氢氧化钠溶液
C.电解总反应:NaCl+H2ONaOH+HCl
D.相比现有氯碱工业制取氢氧化钠,该方法更环保
解析:选C 由图可知,左边石墨电极为阴极,右边石墨电极为阳极,Na+由乙室向甲室迁移,OH-由双极膜向甲室迁移,甲室流出的为氢氧化钠溶液,M为阳离子交换膜,氯离子由乙室向丙室迁移,氢离子由双极膜向丙室迁移,丙室流出的是盐酸,N为阴离子交换膜,A、B项正确;电解总反应为2H2O2H2↑+O2↑,C项错误;相比现有氯碱工业制取氢氧化钠,该方法无氯气产生,更环保,D项正确。
2.电解熔融氯化钠和氯化钙混合物制备金属钠的装置如图所示。阳极A为石墨,阴极为铁环K,两极用隔膜D隔开。氯气从阳极上方的抽气罩H抽出,液态金属钠经铁管F流入收集器G。下列叙述正确的是 ( )
A.氯化钙的作用是作助熔剂,降低氯化钠的熔化温度
B.金属钠的密度大于熔融混合盐的密度,电解得到的钠在下层
C.隔膜D为阳离子交换膜,防止生成的氯气和钠重新生成氯化钠
D.电解时阴极的电极反应为Na++e-==Na,发生氧化反应,阴极上可能有少量的钙单质生成
解析:选A 本装置的目的是制备金属Na,可以联想电解铝工业中的助熔剂冰晶石,则加入氯化钙的目的为作助熔剂,A正确;由图可知,金属钠在上部收集,所以钠的密度小于熔融混合盐的密度,B不正确;由图可知,Cl-通过隔膜D移至阳极A放电产生Cl2,所以隔膜D应该为阴离子交换膜,C不正确;阴极发生的是还原反应,D不正确。
3.电镀是材料表面处理中不可或缺的一部分,解答下列问题。
(1)镀铜可防止铁制品腐蚀,电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是 。
(2)用有机阳离子、[Al2Cl7]-和[AlCl4]-组成的离子液体作电解液时,可在钢制品上电镀铝。
①钢制品应接电源的 极,已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,阴极反应式为 。
②若改用AlCl3水溶液作电解液,则阴极产物为 。
答案:(1)用铜作阳极可补充溶液中消耗的Cu2+,保持溶液中Cu2+浓度恒定
(2)①负 4[Al2Cl7]-+3e-==Al+7[AlCl4]- ②H2
二、电解的创新应用
4.(2025·湖南卷)一种电化学处理硝酸盐产氨的工作原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.电解过程中,K+向左室迁移
B.电解过程中,左室中的浓度持续下降
C.用湿润的蓝色石蕊试纸置于b处,试纸先变红后褪色
D.N完全转化为NH3的电解总反应:N+8Cl-+6H2ONH3↑+9OH-+4Cl2↑
解析:选B 由图可知,左侧发生N→N→NH3,N元素化合价降低,则左侧是阴极区,右侧发生Cl-→Cl2,Cl元素化合价升高,则右侧是阳极区,据此解答;电解池中,阳离子向阴极移动,则K+向左室迁移,A正确;电解过程中,N先生成,再消耗,是中间产物,其浓度增大还是减小,取决于生成速率与消耗速率,无法得出其浓度持续下降的结论,B错误;b处生成氯气,与水反应生成盐酸和次氯酸,盐酸能使蓝色石蕊试纸变红,次氯酸能使变红的试纸褪色,故能看到试纸先变红后褪色,C正确;左侧阴极反应是N+8e-+6H2O==NH3↑+9OH-,右侧阳极反应是8Cl--8e-==4Cl2↑,将两电极反应相加即可得到总反应,D正确。
5.(2025·河北卷)科研工作者设计了一种用于废弃电极材料LixCoO2(x<1)再锂化的电化学装置,其示意图如下:
已知:参比电极的作用是确定LixCoO2再锂化为LiCoO2的最优条件,不干扰电极反应。下列说法正确的是 ( )
A.LixCoO2电极上发生的反应:LixCoO2+xe-+xLi+==LiCoO2
B.产生标准状况下5.6 L O2时,理论上可转化 mol的LixCoO2
C.再锂化过程中,S向LixCoO2电极迁移
D.电解过程中,阳极附近溶液pH升高
解析:选B 由装置图可知,该装置中有直流电源,为电解池,则LixCoO2(x<1) 转化为LiCoO2过程中,Co元素化合价由+(4-x)降为+3,LixCoO2得电子发生还原反应,为阴极,电极反应为LixCoO2+(1-x)e-+(1-x)Li+==LiCoO2,Pt电极为阳极,失电子,发生氧化反应,电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+,据此回答。由分析知,LixCoO2电极上发生的反应:LixCoO2+(1-x)e-+(1-x)Li+==LiCoO2,A错误;由电极反应式可知,产生标准状况下5.6 L(即0.25 mol)O2时转移1 mol 电子,理论上转化 mol的LixCoO2,B正确;S为阴离子,应向阳极移动,即向Pt电极迁移,C错误;由阳极电极反应可知,电解过程中,阳极产生H+、消耗H2O,酸性增强,则阳极附近pH降低,D错误。
逐点清(三) 金属的腐蚀与防护
1.金属的腐蚀
(1)钢铁的电化学腐蚀
①钢铁的吸氧腐蚀
通常情况下,在潮湿的空气中,钢铁表面凝结了一层溶有氧气的水膜,将会发生吸氧腐蚀。
负极反应式:Fe-2e-==Fe2+;正极反应式:O2+2H2O+4e-==4OH-;
总反应式:2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2。
Fe(OH)2进一步被氧化成Fe(OH)3,Fe(OH)3部分脱水生成Fe2O3·xH2O,是铁锈的主要成分。
②钢铁的析氢腐蚀
当钢铁表面的电解质溶液酸性较强时,腐蚀过程中有H2放出。其中,Fe是负极,C是正极。
负极反应式:Fe-2e-==Fe2+;正极反应式:2H++2e-==H2↑;
总反应式:Fe+2H+==Fe2++H2↑。
(2)化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属与接触到的干燥气体或非电解质液体直接发生化学反应
不纯的金属接触到电解质溶液发生原电池反应
本质
M-ne-==Mn+
M-ne-==Mn+
现象
金属被腐蚀
较活泼的金属被腐蚀
区别
无电流产生
有微弱电流产生
联系
电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀速率更快,危害也更严重
2.金属的防护
(1)改变金属的内部结构
可根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金。
(2)覆盖保护层
可以通过喷油漆、涂油脂、电镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离。
(3)电化学防护
牺牲阳极法
——原电池原理
负极
比被保护金属活泼的金属
正极
被保护的金属设备
外加电流法
——电解原理
阴极
被保护的金属设备
阳极
惰性电极
题点、考法讲评
一、金属的腐蚀
1.下列有关钢铁的电化学腐蚀及防护描述正确的是 ( )
A.可利用右图装置保护钢闸门
B.镀层破坏后,白铁(镀锌铁)比马口铁(镀锡铁)的腐蚀速率更快
C.阴极保护法中的牺牲阳极法和外加电流法都要采用辅助阳极,两种方法中的辅助阳极上发生的电极反应类型相同
D.钢铁发生电化学腐蚀的负极反应式为Fe-3e-==Fe3+
解析:选C 该装置为电解池,钢闸门连接电源正极作电解池的阳极,铁失电子生成亚铁离子,加速腐蚀,不能保护钢闸门,A错误;镀层破坏后,白铁(镀锌铁)中锌的活泼性比铁的强,铁作正极被保护,马口铁(镀锡铁)中铁的活泼性比锡强,铁作负极被腐蚀,则镀层破坏后马口铁的腐蚀速率更快,B错误;牺牲阳极法是原电池原理,将被保护的金属作为正极,辅助阳极作为负极;外加电流法是电解池原理,将被保护的金属作为阴极,辅助阳极作为阳极,辅助阳极都是发生氧化反应,C正确;钢铁发生电化学腐蚀的负极铁单质失去电子生成亚铁离子,负极的反应式:Fe-2e-==Fe2+,D错误。
2.(2026·湖南雅礼中学期末)点蚀又称为孔蚀,是一种集中于金属表面很小的范围并深入到金属内部的腐蚀形态。某铁合金钝化膜破损后的孔蚀如图,则下列说法正确的是 ( )
A.为防止孔蚀发生,可以将外接电源正极与金属相连
B.反应时每吸收2.24 L O2,则此时HCl可以氧化0.2 mol Fe
C.在腐蚀的过程中钝化膜作为负极
D.孔隙中局部可能发生析氢腐蚀
解析:选D 与电源正极相连作阳极,阳极发生氧化反应,加快金属的腐蚀,故为防止孔蚀发生,可以将外接电源负极与金属相连,A项错误;未告知O2所处的状态,无法计算2.24 L O2的物质的量,故无法计算此时HCl可以氧化Fe的物质的量,B项错误;由图示可知,在腐蚀的过程中钝化膜作为正极,O2在钝化膜上得到电子发生还原反应,C项错误;孔隙中局部可能存在酸性环境,则可能发生析氢腐蚀,D项正确。
二、金属腐蚀的防护方法
3.(2024·广东卷改编)我国自主设计建造的浮式生产储卸油装置“海葵一号”在珠江口盆地海域使用,其钢铁外壳镶嵌了锌块,以利用电化学原理延缓外壳的腐蚀。下列有关说法正确的是 ( )
A.钢铁外壳为负极 B.镶嵌的锌块可永久使用
C.该法为外加电流法 D.锌发生反应:Zn-2e-==Zn2+
解析:选D 钢铁外壳镶嵌了锌块,由于金属活动性Zn>Fe,即锌块为负极,钢铁为正极,形成原电池,Zn失去电子,发生氧化反应:Zn-2e-==Zn2+,从而保护钢铁,延缓其腐蚀。由于金属活动性Zn>Fe,钢铁外壳为正极,锌块为负极,故A错误;Zn失去电子,发生氧化反应:Zn-2e-==Zn2+,镶嵌的锌块会被逐渐消耗,需根据腐蚀情况进行维护和更换,不能永久使用,故B错误,D正确;由分析得,该方法为牺牲阳极法,故C错误。
4.(2024·浙江6月选考)金属腐蚀会对设备产生严重危害,腐蚀快慢与材料种类、所处环境有关。如图为两种对海水中钢闸门的防腐措施示意图:
下列说法正确的是 ( )
A.图1、图2中,阳极材料本身均失去电子
B.图2中,外加电压偏高时,钢闸门表面可发生反应:O2+4e-+2H2O==4OH-
C.图2中,外加电压保持恒定不变,有利于提高对钢闸门的防护效果
D.图1、图2中,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时,钢闸门、阳极均不发生化学反应
解析:选B 图1为牺牲阳极法,牺牲阳极一般为较活泼金属,其作为原电池的负极,其失去电子被氧化;图2为外加电流法,阳极材料为惰性电极,其本身不失去电子,电解质溶液中的阴离子在其表面失去电子,如海水中的Cl-,A不正确。图2中,外加电压偏高时,钢闸门表面积累的电子很多,除了海水中的H+放电外,海水中溶解的O2也会放电,故可发生O2+4e-+2H2O==4OH-,B正确。图2为外加电流法,理论上只要能对抗钢闸门表面的腐蚀电流即可,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时保护效果最好;腐蚀电流会随着环境的变化而变化,若外加电压保持恒定不变,则不能保证抵消腐蚀电流,不利于提高对钢闸门的防护效果,C不正确。图1、图2中,当钢闸门表面的腐蚀电流为零时,说明从牺牲阳极或外加电源传递过来的电子阻止了Fe-2e-==Fe2+的发生,钢闸门不发生化学反应,但是牺牲阳极上发生了氧化反应,辅助阳极上也发生了氧化反应,D不正确。
5.验证牺牲阳极法,实验如图(烧杯内均为经过酸化的3% NaCl溶液)。
①
在Fe表面生成蓝色沉淀
②
试管内无明显变化
③
试管内生成蓝色沉淀
下列说法不正确的是 ( )
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
解析:选D 实验②中加入K3[Fe(CN)6]溶液,溶液无变化,说明溶液中没有Fe2+;实验③中加入K3[Fe(CN)6]溶液生成蓝色沉淀,说明溶液中有Fe2+,A项正确;对比①②可知,①中K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化成Fe2+,Fe2+再与K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色沉淀,B项正确;由B项分析可知,验证Zn保护Fe时,可以用②③做对比实验,不能用①的方法,C项正确;K3[Fe(CN)6]可将单质铁氧化为Fe2+,Fe2+与K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀,附着在Fe表面,无法判断铁比铜活泼,D项错误。
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