資源簡介

【基礎知識】原電池 化學電源
考點一 原電池的工作原理及應用
【知識模型】
1、原電池的概念及構成條件
(1)定義：將化學能轉化為電能的裝置。（太陽能電池：將太陽能轉化為電能）
(2)原電池的形成條件
①能自發進行的氧化還原反應。
②兩個活潑性不同的電極(燃料電池的兩個電極可以相同)。
③形成閉合回路，需滿足三個條件：a.存在電解質；b.兩電極直接或間接接觸；c.兩電極插入電解質溶液或熔融電解質中。
2、工作原理(以鋅銅原電池為例)
(1)裝置變遷
名稱 單液原電池 雙液原電池
裝置
相同點 電極名稱 負極：鋅片 正極：銅片
電極反應 負極：Zn－2e－===Zn2＋ (氧化反應) 正極：Cu2＋＋2e－===Cu (還原反應)
總反應 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
電子流向 電子由負極（鋅片）經導線流向正極（銅片）
電流流向 電流由正極（銅片）經導線流向負極（鋅片）
不同點 離子遷移 方向 電解質溶液中，陰離子向負極（鋅片）遷移，陽離子向正極（銅片）遷移
Cu2＋移向正極，SO42－移向負極 鹽橋含飽和KCl溶液，K＋移向正極，Cl－移向負極
能量轉化效率 還原劑Zn與氧化劑Cu2＋直接接觸，既有化學能轉化為電能，又有化學能轉化為熱能，造成能量損耗。 Zn與氧化劑Cu2＋不直接接觸，僅有化學能轉化為電能，避免了能量損耗，故電流穩定，持續時間長。
【微點撥】
①鹽橋的成分：鹽橋通常是裝有飽和KCl或者NH4NO3瓊脂溶膠的U形管，溶液不致流出來，但離子則可以在其中自由移動
②鹽橋的作用有三種：
a.連接內電路，形成閉合回路；
b.平衡電荷，使原電池不斷產生電流；
c.隔絕正負極反應物，避免直接接觸，導致電流不穩定，提高電池效率。
③鹽橋中離子移向：陰離子移向負極，陽離子移向正極。
④無論是單液原電池裝置還是雙液原電池裝置，電子均不能通過電解質溶液（離子走水，電子走線）
3、原電池電極判斷
負極 正極
反應類型 氧化反應 還原反應
得失電子 失去 得到
離子移向 陰離子 陽離子
電極材料 較活潑 較不活潑
化合價變化 升高 降低
電勢大小 低 高
4、原電池的應用
(1)加快氧化還原反應的速率：原電池中，氧化反應和還原反應分別在兩極進行，使溶液中離子運動時相互的干擾減小，使反應速率增大。
如：在Zn和稀硫酸反應時，滴加少量CuSO4溶液，則Zn置換出的銅和鋅能構成原電池的正負極，從而加快Zn與稀硫酸反應的速率
(2)比較金屬活動性的強弱：原電池中，負極一般是活動性較強的金屬，正極一般是活動性較弱的金屬(或非金屬)
方法：電極質量減少作負極，較活潑；有氣體生成、電極質量不斷增加或不變作正極，較不活潑
(3)設計制作化學電源
①拆分反應：將氧化還原反應分成兩個半反應
②選擇電極材料：電極材料必須導電。根據氧化還原反應找出正、負極材料，一般選擇活動性較強的金屬作為負極(或者在該氧化還原反應中，本身失去電子的材料)；活動性較弱的金屬或可導電的非金屬(如石墨等)作為正極
③構成閉合回路：將兩個半反應分別在兩個容器中進行(中間連接鹽橋)，則兩個容器中的電解質溶液應選擇與電極材料相同的陽離子的溶液
【模型再構】
例1、常見原電池（寫出以下總反應、正負極電極反應式）
①Fe | FeCl3(aq) | Cu
總反應: Fe +2Fe3+ = 3Fe2+
正極:Fe3+ +e- = Fe2+ 負極：Fe -2e- = Fe2+
②Mg | NaOH(aq) | Al
總反應: 2Al + 2OH- + 2H2O = 2AlO2- +3H2↑
正極:2H2O + 2e- = H2↑ +2OH- 負極：Al - 3e- +4OH- = AlO2- +2H2O
③Fe | 濃HNO3(aq) | Cu
總反應:Cu + 2NO3- +4H+=Cu2+ + 2NO2↑ + 2H2O
正極:NO3- +e- +2H+ = NO2↑ + H2O 負極：Cu - 2e- = Cu2+
④Zn | NaCl(aq) | Cu
總反應:2Zn + O2 +2H2O = 2Zn(OH)2
正極: O2 +2H2O +4e- =4OH- 負極：Zn - 2e- = Zn2+
【微點撥】
自發發生的氧化還原反應并不一定是電極與電解質溶液反應，也可以是電極與溶解的O2等發生反應.
例2、設計原電池裝置證明Fe3＋的氧化性比Cu2＋強。
(1)寫出能說明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的離子方程式：_________________________________。
(2)若要將上述反應設計成原電池，電極反應式分別是：
①負極：________________________________________________________________________。
②正極：________________________________________________________________________。
(3)在方框中畫出裝置圖，指出電極材料和電解質溶液：
①不含鹽橋 ②含鹽橋
【答案】　(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋ (2)①Cu－2e－===Cu2＋　②2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)
①不含鹽橋 ②含鹽橋
【問題解決】
例1、（2021 北京卷，16節選）某小組實驗驗證“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”為可逆反應并測定其平衡常數。
實驗I：將0.0100 mol/L Ag2SO4溶液與0.0400 mo/L FeSO4溶液(pH=1)等體積混合，產生灰黑色沉淀，溶液呈黃色。
實驗II：向少量Ag粉中加入0.0100 mol/L Fe2(SO4)3溶液(pH=1)，固體完全溶解。
①取I中沉淀，加入濃硝酸，證實沉淀為Ag。現象是_______________________________。
②II中溶液選用Fe2(SO4)3，不選用Fe(NO3)3的原因是_______________________________。
綜合上述實驗，證實“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”為可逆反應。
③小組同學采用電化學裝置從平衡移動角度進行驗證。補全電化學裝置示意圖,寫出操作及現象_______。
【答案】①灰黑色固體溶解，產生紅棕色氣體
②防止酸性條件下，NO3-氧化性氧化Fe2+干擾實驗結果
③a：鉑/石墨電極，b：FeSO4 或Fe2(SO4)3或二者混合溶液，c：AgNO3 溶液；
操作和現象：閉合開關 K，Ag電極上固體逐漸溶解，指針向左偏轉，一段時間后指針歸零，再向左側燒杯中加入滴加較濃的Fe2(SO4)3溶液，與之前的現象相同；或者閉合開關 K，Ag電極上有灰黑色固體析出，指針向右偏轉，一段時間后指針歸零，再向左側燒杯中加入滴加較濃的Fe2(SO4)3溶液，Ag電極上固體逐漸減少，指針向左偏轉
例2、(2022·湖南卷)海水電池在海洋能源領域備受關注，一種鋰-海水電池構造示意圖如下。下列說法錯誤的是(　　)
A．海水起電解質溶液作用 B．N極僅發生的電極反應：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C．玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能 D．該鋰－海水電池屬于一次電池
【答案】B
【詳解】海水中含有豐富的電解質，如氯化鈉、氯化鎂等，可作為電解質溶液，故A正確；由上述分析可知，N為正極，電極反應為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，和反應O2+4e-+2H2O=4OH-，故B錯誤；Li為活潑金屬，易與水反應，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反應，并能傳導離子，故C正確；該電池不可充電，屬于一次電池，故D正確；答案選B。
例3、（2023海南卷，8）利用金屬Al、海水及其中的溶解氧可組成電池，如圖所示。下列說法正確的是（ ）
A. b電極為電池正極 B. 電池工作時，海水中的向a電極移動
C. 電池工作時，緊鄰a電極區域的海水呈強堿性 D. 每消耗1kgAl，電池最多向外提供37mol電子的電量
【答案】A
例4、某學習小組設計如圖所示原電池裝置。該電池總反應為Cl－＋Ag＋===AgCl↓。下列說法正確的是(　　)
A．放電時，X電極發生還原反應
B．放電時，Y電極反應式為Ag＋＋e－===Ag
C．放電時，鹽橋中K＋向盛有NaCl溶液的燒杯中移動
D．外電路中每通過0.1 mol e－，X電極質量增加14.35 g
【答案】　B
【解析】　該原電池X電極反應式為Ag－e－＋Cl－===AgCl，故A錯誤；Y電極為原電池正極，電極反應式為Ag＋＋e－===Ag，故B正確；放電時，鹽橋中的鉀離子向正極移動，X電極為負極，故C錯誤；放電時，當電路中轉移0.1 mol e－時，X電極會有0.1 mol Ag失去0.1 mol電子生成銀離子，銀離子會與氯離子反應生成氯化銀沉淀，故D錯誤。
【基礎練習】
1、銀鋅電池是一種常見化學電源，其反應原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，其工作示意圖如圖。下列說法不正確的是(　　)
A．Zn電極發生氧化反應 B．Ag2O電極是電源的正極
C．電池工作時，電子從Zn電極經導線流向Ag2O電極，再由Ag2O電極經電解質溶液流向Zn電極
D．Zn電極上發生的反應：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
【答案】　C
【解析】　電池工作時，負極Zn失去電子，電子經導線流向正極，Ag2O得到電子轉化為Ag，電子不會進入電解質溶液，C項錯誤。
2、(2016·全國2)Mg-AgCl電池是一種以海水為電解質溶液的水激活電池。下列敘述錯誤的是 (　　)
A.負極反應式為Mg-2e-Mg2+ B.正極反應式為Ag++e-Ag
C.電池放電時Cl-由正極向負極遷移 D.負極會發生副反應Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
【答案】B
【詳解】Mg-AgCl海水電池中,Mg為活潑金屬,作負極,發生反應:Mg-2e-Mg2+,A項說法正確;AgCl在正極反應:AgCl+e-Ag+Cl-,B項說法錯誤;原電池中,陰離子向負極移動,C項說法正確;Mg可與H2O緩慢反應,D項說法正確。
3、分析下圖所示的四個原電池裝置，其中結論正確的是(　　)
A．①②中Mg作負極，③④中Fe作負極
B．②中Mg作負極，電極反應式為Mg - 2e－===Mg2+
C．③中Fe作負極，電極反應式為Fe－2e－===Fe2＋
D．④中Cu作正極，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
【答案】　D
【解析】　②中Mg不與NaOH溶液反應，而Al能和NaOH溶液反應失去電子，故Al是負極，電池總反應為2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，負極反應式為2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相減得到正極反應式為6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑；③中Fe在濃硝酸中鈍化，Cu和濃HNO3反應失去電子作負極，A、B、C錯誤；④中Cu是正極，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D正確。
4、有a、b、c、d四個金屬電極，有關的實驗裝置及部分實驗現象如下：
實驗裝置
部分實驗現象 a極質量減少；b極質量增加 b極有氣體產生；c極無變化 d極溶解；c極有氣體產生 電流從a極流向d極
由此可判斷這四種金屬的活動性順序是(　　)
A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c
【答案】　C
【解析】　把四個實驗從左到右分別編號為①②③④，則由實驗①可知，a作原電池負極，b作原電池正極，金屬活動性：a＞b；由實驗②可知，活動性：b＞c；由實驗③可知，d作原電池負極，c作正極，活動性：d＞c；由實驗④可知，d極為原電池負極，a極為原電池正極，活動性：d＞a。
5、某醫院設計的鋅-鐵原電池，可以控制胃內氫釋放，改善肥胖2型糖尿病的胰島素抵抗。其工作原理如圖所示，下列說法不正確的是（ ）
A.N代表鐵 B.該過程發生析氫腐蝕
C.鋅表面的電極反應為Zn－2e－===Zn2+
D.標準狀況下，每生成2.24mLH2，理論上原電池質量損耗0.013g
【答案】D
6、(2020全國1卷)為驗證不同化合價鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進行實驗，回答下列問題：
(1)由FeSO4·7H2O固體配制0.10mol· L-1 FeSO4溶液，需要的儀器有藥匙、玻璃棒、 （從下列圖中選擇，寫出名稱。）
(2)電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質溶液。鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質發生化學反應，并且電遷移率（ u ）應盡可能地相近。根據下表數據，鹽橋中應選擇 作為電解質。
陽離子 u 108 / m2 s 1 V 1 陰離子 u 108 / m2 s 1 V 1
Li+ 4.07 HCO3- 4.61
Na+ 5.19 NO3- 7.40
Ca2+ 6.59 Cl- 7.91
K+ 7.62 SO42- 8.27
(3)電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極。可知，鹽橋中的陽離子進入 電極溶液中。
(4)電池反應一段時間后，測得鐵電極溶液中c(Fe2+ )增加了0.02mol· L-1 。石墨電極上未見Fe 析出。可知，石墨電極溶液中c(Fe2+ )= 。
(5)根據（3）（4）實驗結果，可知石墨電極的電極反應式為 ，鐵電極的電極反應式為 。因此，驗證了Fe2+ 氧化性小于 ，還原小于 。
(6)實驗前需要對鐵電極表面活化。在FeSO4 溶液中加入幾滴Fe2 (SO4) 3溶液，將鐵電極浸泡一段時間，鐵電極表面被刻蝕活化。檢驗活化反應完成的方法是 。
【答案】(1)燒杯、量筒、托盤天平　(2)KCl　(3)石墨(4)0.09 mol·L－1　
(5)Fe3＋＋e－==Fe2＋　Fe－2e－== Fe2＋　Fe3＋　Fe　
(6)取活化后溶液少許于試管中，加入KSCN溶液，若溶液不出現血紅色，說明活化反應完成【基礎知識】原電池 化學電源
考點一 原電池的工作原理及應用
【知識模型】
1、原電池的概念及構成條件
(1)定義：將 能轉化為 能的裝置。（太陽能電池：將 能轉化為 能）
(2)原電池的形成條件
①能自發進行的 反應。
②兩個 不同的電極(燃料電池的兩個電極可以相同)。
③形成 回路，需滿足三個條件：
a.存在電解質；b.兩電極直接或間接接觸；c.兩電極插入電解質溶液或熔融電解質中。
2、工作原理(以鋅銅原電池為例)
(1)裝置變遷
名稱 單液原電池 雙液原電池
裝置
相同點 電極名稱 負極： 片 正極： 片
電極反應 負極： (氧化反應) 正極： (還原反應)
總反應 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
電子流向 電子由 經導線流向
電流流向 電流由 經導線流向
不同點 離子遷移 方向 電解質溶液中，陰離子向 遷移，陽離子向 遷移
移向正極， 移向負極 鹽橋含飽和KCl溶液， 移向正極， 移向負極
能量轉化效率 還原劑Zn與氧化劑Cu2＋直接接觸，既有化學能轉化為電能，又有化學能轉化為熱能，造成能量損耗。 Zn與氧化劑Cu2＋不直接接觸，僅有化學能轉化為電能，避免了能量損耗，故電流穩定，持續時間長。
【微點撥】
①鹽橋的成分：鹽橋通常是裝有飽和KCl或者NH4NO3瓊脂溶膠的U形管，溶液不致流出來，但離子則可以在其中自由移動
②鹽橋的作用有三種：
a.連接內電路，形成閉合回路；
b.平衡電荷，使原電池不斷產生電流；
c.隔絕正負極反應物，避免直接接觸，導致電流不穩定，提高電池效率。
③鹽橋中離子移向：陰離子移向負極，陽離子移向正極。
④無論是單液原電池裝置還是雙液原電池裝置，電子均不能通過電解質溶液（離子走水，電子走線）
3、原電池電極判斷
負極 正極
反應類型
得失電子
離子移向
電極材料
化合價變化
電勢大小
4、原電池的應用
(1)加快氧化還原反應的速率：原電池中，氧化反應和還原反應分別在兩極進行，使溶液中離子運動時相互的干擾減小，使反應速率增大。
如：在Zn和稀硫酸反應時，滴加少量CuSO4溶液，則Zn置換出的銅和鋅能構成原電池的正負極，從而加快Zn與稀硫酸反應的速率
(2)比較金屬活動性的強弱：原電池中，負極一般是活動性較強的金屬，正極一般是活動性較弱的金屬(或非金屬)
方法：電極質量減少作負極，較活潑；有氣體生成、電極質量不斷增加或不變作正極，較不活潑
(3)設計制作化學電源
①拆分反應：將氧化還原反應分成兩個半反應
②選擇電極材料：電極材料必須導電。根據氧化還原反應找出正、負極材料，一般選擇活動性較強的金屬作為負極(或者在該氧化還原反應中，本身失去電子的材料)；活動性較弱的金屬或可導電的非金屬(如石墨等)作為正極
③構成閉合回路：將兩個半反應分別在兩個容器中進行(中間連接鹽橋)，則兩個容器中的電解質溶液應選擇與電極材料相同的陽離子的溶液
【模型再構】
例1、常見原電池（寫出以下總反應、正負極電極反應式）
①Fe | FeCl3(aq) | Cu
總反應:
正極: 負極：
②Mg | NaOH(aq) | Al
總反應:
正極: 負極：
③Fe | 濃HNO3(aq) | Cu
總反應:
正極: 負極：
④Zn | NaCl(aq) | Cu
總反應:
正極: 負極：
【微點撥】
自發發生的氧化還原反應并不一定是電極與電解質溶液反應，也可以是電極與溶解的O2等發生反應.
例2、設計原電池裝置證明Fe3＋的氧化性比Cu2＋強。
(1)寫出能說明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的離子方程式：_________________________________。
(2)若要將上述反應設計成原電池，電極反應式分別是：
①負極：________________________________________________________________________。
②正極：________________________________________________________________________。
(3)在方框中畫出裝置圖，指出電極材料和電解質溶液：
①不含鹽橋 ②含鹽橋
【問題解決】
例1、（2021 北京卷，16節選）某小組實驗驗證“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”為可逆反應并測定其平衡常數。
實驗I：將0.0100 mol/L Ag2SO4溶液與0.0400 mo/L FeSO4溶液(pH=1)等體積混合，產生灰黑色沉淀，溶液呈黃色。
實驗II：向少量Ag粉中加入0.0100 mol/L Fe2(SO4)3溶液(pH=1)，固體完全溶解。
①取I中沉淀，加入濃硝酸，證實沉淀為Ag。現象是_______________________________。
②II中溶液選用Fe2(SO4)3，不選用Fe(NO3)3的原因是_______________________________。
綜合上述實驗，證實“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”為可逆反應。
③小組同學采用電化學裝置從平衡移動角度進行驗證。補全電化學裝置示意圖,寫出操作及現象_______。
例2、(2022·湖南卷)海水電池在海洋能源領域備受關注，一種鋰-海水電池構造示意圖如下。下列說法錯誤的是(　　)
A．海水起電解質溶液作用 B．N極僅發生的電極反應：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C．玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能 D．該鋰－海水電池屬于一次電池
例3、（2023海南卷，8）利用金屬Al、海水及其中的溶解氧可組成電池，如圖所示。下列說法正確的是（ ）
A. b電極為電池正極 B. 電池工作時，海水中的向a電極移動
C. 電池工作時，緊鄰a電極區域的海水呈強堿性 D. 每消耗1kgAl，電池最多向外提供37mol電子的電量
例4、某學習小組設計如圖所示原電池裝置。該電池總反應為Cl－＋Ag＋===AgCl↓。下列說法正確的是(　　)
A．放電時，X電極發生還原反應
B．放電時，Y電極反應式為Ag＋＋e－===Ag
C．放電時，鹽橋中K＋向盛有NaCl溶液的燒杯中移動
D．外電路中每通過0.1 mol e－，X電極質量增加14.35 g
【基礎練習】
1、銀鋅電池是一種常見化學電源，其反應原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，其工作示意圖如圖。下列說法不正確的是(　　)
A．Zn電極發生氧化反應
B．Ag2O電極是電源的正極
C．電池工作時，電子從Zn電極經導線流向Ag2O電極，再由Ag2O電極經電解質溶液流向Zn電極
D．Zn電極上發生的反應：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
2、(2016·全國2)Mg-AgCl電池是一種以海水為電解質溶液的水激活電池。下列敘述錯誤的是 (　　)
A.負極反應式為Mg-2e-Mg2+ B.正極反應式為Ag++e-Ag
C.電池放電時Cl-由正極向負極遷移 D.負極會發生副反應Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
3、分析下圖所示的四個原電池裝置，其中結論正確的是(　　)
A．①②中Mg作負極，③④中Fe作負極
B．②中Mg作負極，電極反應式為Mg - 2e－===Mg2+
C．③中Fe作負極，電極反應式為Fe－2e－===Fe2＋
D．④中Cu作正極，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
4、有a、b、c、d四個金屬電極，有關的實驗裝置及部分實驗現象如下：
實驗裝置
部分實驗現象 a極質量減少；b極質量增加 b極有氣體產生；c極無變化 d極溶解；c極有氣體產生 電流從a極流向d極
由此可判斷這四種金屬的活動性順序是(　　)
A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c
5、某醫院設計的鋅-鐵原電池，可以控制胃內氫釋放，改善肥胖2型糖尿病的胰島素抵抗。其工作原理如圖所示，下列說法不正確的是（ ）
A.N代表鐵
B.該過程發生析氫腐蝕
C.鋅表面的電極反應為Zn－2e－===Zn2+
D.標準狀況下，每生成2.24mLH2，理論上原電池質量損耗0.013g
6、(2020全國1卷)為驗證不同化合價鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進行實驗，回答下列問題：
(1)由FeSO4·7H2O固體配制0.10mol· L-1 FeSO4溶液，需要的儀器有藥匙、玻璃棒、 （從下列圖中選擇，寫出名稱。）
(2)電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質溶液。鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質發生化學反應，并且電遷移率（ u ）應盡可能地相近。根據下表數據，鹽橋中應選擇 作為電解質。
陽離子 u 108 / m2 s 1 V 1 陰離子 u 108 / m2 s 1 V 1
Li+ 4.07 HCO3- 4.61
Na+ 5.19 NO3- 7.40
Ca2+ 6.59 Cl- 7.91
K+ 7.62 SO42- 8.27
(3)電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極。可知，鹽橋中的陽離子進入 電極溶液中。
(4)電池反應一段時間后，測得鐵電極溶液中c(Fe2+ )增加了0.02mol· L-1 。石墨電極上未見Fe 析出。可知，石墨電極溶液中c(Fe2+ )= 。
(5)根據（3）（4）實驗結果，可知石墨電極的電極反應式為 ，鐵電極的電極反應式為 。因此，驗證了Fe2+ 氧化性小于 ，還原小于 。
(6)實驗前需要對鐵電極表面活化。在FeSO4 溶液中加入幾滴Fe2 (SO4) 3溶液，將鐵電極浸泡一段時間，鐵電極表面被刻蝕活化。檢驗活化反應完成的方法是 。

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