鲁科版高中化学选择性必修2物质结构与性质第1章原子结构与元素性质第3节元素性质及其变化规律第1课时原子半径、元素的电离能及其变化规律课件

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鲁科版高中化学选择性必修2物质结构与性质第1章原子结构与元素性质第3节元素性质及其变化规律第1课时原子半径、元素的电离能及其变化规律课件

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第1章 原子结构与元素性质
第3节 元素性质及其变化规律
第1课时 原子半径、元素的电离能及其变化规律
1.了解核外电子排布与原子半径周期性变化的关系,能用原子结构的知识解释其周期性变化的原因。
2.了解电离能的概念与内涵,认识主族元素第一电离能的变化规律。
3.运用电离能解释元素的某些性质。
学习目标
一、原子半径及其变化规律
知能通关
1.原子半径的测定
假定原子是一个____体,采用______的方法测定原子半径。
方法一:ρ固态单质→1 mol原子的体积 1个原子在固态单质中平均占有的体积→原子半径。
方法二:实验测定原子核间距→相关原子半径,此法测得的原子半径包括______半径、________半径、金属半径。

统计
共价
范德华
2.原子半径的影响因素
3.原子半径的变化规律
(1)主族元素
相同
增大
增多
增大
增大
(2)过渡元素
从总的变化趋势来看,与同一周期主族元素相比,从左到右原子半径的变化幅度     。
不大
(1)下列有关粒子半径的说法不正确的是      。
①核外电子层结构相同的单核粒子,半径相同
②质子数相同的不同单核粒子,电子数越多,半径越大
③各元素的原子半径总比其离子半径大
④同周期元素从左到右,原子半径、离子半径均逐渐减小
①③④
小题对点过
(2)下列关于粒子半径的比较正确的是    。
①r(Li+)②r(F-)③r(Na+)④r(Fe3+)>r(Fe2+)>r(Fe)
①②
解析 (2)同主族元素,从上到下,同价态离子半径逐渐增大,①②正确;电子层结构相同的离子,随核电荷数增大,离子半径逐渐减小,③错误;不同价态的同种元素的离子,核外电子多的半径大,④错误。
4.元素原子得失电子的能力
4.元素原子得失电子的能力
(1)利用原子半径和    数,可以定性解释元素周期表中元素原子得失电子能力所呈现的递变规律。
(2)除稀有气体元素外,从左到右,元素原子失去电子的能力越来越    ,获得电子的能力越来越    。
(3)同主族自上而下,金属元素原子失去电子的能力越来越    ,非金属元素原子获得电子的能力越来越    。
价电子




下列事实能用于判断金属元素失电子能力强弱的是    。
①金属间发生的置换反应
②1 mol金属单质在反应中失去电子的多少
③金属元素的最高价氧化物对应水化物的碱性强弱
④金属元素的单质与水或酸反应置换出氢的难易
①③④
小题对点过
1.下列各组微粒不是按半径逐渐增大的顺序排列的是(  )
A.Na、K、Rb B.F、Cl、Br
C.Mg2+、Al3+、Zn2+ D.Cl-、Br-、I-
解析 同主族元素,从上到下,原子半径(或离子半径)逐渐增大,故A、B、D三项中的各微粒的半径逐渐增大;电子层数相同,核电荷数越大半径越小,Mg2+、Al3+电子层数相同但铝元素的核电荷数大,所以Al3+的半径小,故C项中微粒不是按半径逐渐增大的顺序排列的。
C
2.A+、B2+、C-、D2-4种离子具有相同的电子层结构。现有以下排列顺序:
①B2+>A+>C->D2- ②C->D2->A+>B2+
③B2+>A+>D2->C- ④D2->C->A+>B2+
4种离子的半径由大到小以及4种元素原子序数由大到小的顺序分别是(  )
A.①④ B.④① C.②③ D.③②
解析 A+、B2+、C-、D2-四种离子具有相同的电子层结构,核外电子数相等,令核外电子数为x,则A、B、C、D的原子序数分别为x+1、x+2、x-1、x-2,故原子序数(核电荷数)B2+>A+>C->D2-;电子层结构相同的离子,核电荷数越大离子半径越小,故离子半径D2->C->A+>B2+。
B
3.下列四种粒子的半径按由大到小顺序排列正确的是(  )
C
A.①>②>③>④ B.③>④>①>② C.③>①>②>④ D.①>②>④>③
解析 由题意可知,X、Y、Z2-、W分别为S、Cl、S2-、F。S、Cl、S2-、F四种粒子半径由大到小排列顺序为r(S2-)>r(S)>r(Cl)>r(F),故C项正确。
1.微粒半径大小的比较规律
比较方法 微粒特点 变化规律 实例
依据元素周期表比较原子半径大小 同周期主族元素 从左到右,原子半径依次减小 r(Na)>r(Mg)>r(Al)
同主族元素 从上到下,原子半径依次增大 r(F)比较方法 微粒特点 变化规律 实例
依据微粒结构特点比较微粒半径大小 电子层结构不同 一般电子层数越多,半径越大 r(S)>r(O)
电子层结构相同 随核电荷数增大,离子半径减小 r(O2-)>r(F-)>r(Na+)
同种元素的原子和离子 价态越高,半径越小 r(Fe)>r(Fe2+)>r(Fe3+);
r(S)2.微粒半径大小比较的方法——“三看法”
“一看”电子层,一般电子层数越多,半径越大;
“二看”核电荷数,电子层数相同时,核电荷数越大,半径越小;
“三看”核外电子数,电子层数和质子数都相同时,核外电子数越多,半径越大。
二、元素的电离能及其变化规律
知能通关
1.概念
气态基态原子或气态基态离子失去    所需要的最小能量叫作电离能,常用符号    表示,单位是    。
2.分类
元素原子失去一个电子的电离能称为第一电离能,常用符号    表示;在此基础上再失去一个电子的电离能称为第二电离能,常用符号      表示;以此类推,且I3     I2    I1。
一个电子
I
kJ·mol-1
I1
I2
高于
高于
为什么同一元素的电离能逐级增大
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
原子失电子时,首先失去的是能量最高的电子,故第一电离能较小,原子失去电子后变成阳离子,半径变小,原子核对外层电子的吸引力增强,从而使电离能逐级增大
小题对点过
3.意义
运用元素的电离能数据来判断金属元素的原子在气态时失去电子的_________程度。
4.元素第一电离能变化规律
难易
同周期 碱金属元素的第一电离能最小,稀有气体元素的第一电离能最大,从左至右,元素的第一电离能总体上呈现    的变化趋势(ⅡA、ⅤA比相邻元素的第一电离能大)
同主族 总体上自上而下第一电离能逐渐           
过渡元素 第一电离能变化不太规则,同周期的过渡元素随原子序数的增加,从左到右第一电离能总体上略有   
同种元素原子 电离能逐级    (即I1  I2  I3……)
从小到大
减小
增加
增大
<
<
下列说法中不正确的是    。
①第3周期所含元素中钠的第一电离能最小
②铝的第一电离能比镁的第一电离能大
③在所有元素中,F的第一电离能最大
④钾的第一电离能比镁的第一电离能大
②③④
小题对点过
5.电离能的应用
请回答下列问题。
(1)N、Al、Si、Ge四种元素中,有一种元素的各级电离能(单位为kJ·mol-1)数据如下表:
Al
小题对点过
I1 I2 I3 I4 ……
578 1 817 2 745 11 578 ……
则该元素是      (填元素符号)。
(2)短周期某主族元素M的电离能情况如图所示。
①基态M原子的核外电子排布式为
            。
②比较M元素与同周期相邻其他两种元素第一电离能的大小:       (用元素符号表示)。
解析 (1)由题表所给数据知,I4 I3,所以该元素原子最外层应有3个电子,为Al元素。(2)由题图可知,M原子的第三电离能和第二电离能差值很大,所以M原子最外层有2个电子,次外层电子数多于3个,故M是Mg元素。Mg元素的3s轨道处于全充满状态,比较稳定,其第一电离能比同周期左右相邻的Na、Al元素的第一电离能都大。
1s22s22p63s2
Mg>Al>Na
1.下列元素第一电离能大小顺序中,正确的是(  )
A.Be>B>Mg B.B>Mg>Be
C.B>Al>Mg D.Al>Be>Mg
解析 同周期主族元素从左到右第一电离能呈增大趋势,同主族元素自上而下第一电离能逐渐减小。但ⅡA族、ⅤA族元素的第一电离能分别大于同周期相邻元素,则第一电离能:Be>B>Mg,A正确,B错误;Mg的第一电离能比Al大,C、D错误。
A
2.已知下列四组短周期元素的电离能数据(kJ·mol-1),下列判断错误的是(  )
A.还原性:W>Y>X B.Y和Z可能位于同一族
C.W、X、Y、Z简单离子半径依次减小 D.X、Z的氢氧化物都具有两性
C
电离能 W X Y Z
I1 496 578 738 899
I2 4 562 1 817 1 451 1 751
I3 6 912 2 745 7 733 14 848
I4 9 543 11 575 10 540 21 006
解析 元素原子轨道中电子处于半满、全满、全空时最稳定,当稳定状态再失去电子时,其电离能发生突变,W 的I2突然增大,说明最外层有1个电子,属于ⅠA 族,且W的第一电离能比X、Y、Z小,则W为Na元素;X的I4突然增大,说明最外层有3个电子,属于ⅢA族,第一电离能比Y、Z小,则X为Al元素;Y 的I3突然增大,说明最外层有2个电子,属于ⅡA族,Z的I3突然增大,说明最外层有2个电子,属于ⅡA族,由Z的I1比Y的I1大,则Y为Mg元素;Z为Be元素;Na、Mg、Al为第3周期元素,金属性依次减弱,还原性减弱,所以还原性:Na>Mg>Al,故A正确;根据其电离能变化,可知Y为Mg元素,Z为Be元素,属于同一主族元素,故B正确;Na、Mg、Al简单离子均为10电子微粒,随着核电荷数增多,对电子吸引力增大,离子半径减小,铍离子为2个电子,半径最小,所以简单离子半径:Na+>Mg2+>Al3+ >Be2+,故C错误;Al和Be在元素周期表中均位于金属和非金属交界处,具有一定的金属性和非金属性,其氢氧化物都具有两性,故D正确。
课堂 达标训练
1.下面的价电子排布中,第一电离能最小的原子可能是(  )
A.ns2np3 B.ns2np5
C.ns2np4 D.ns2np6
解析 同一周期元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势,但同一周期中ⅡA族元素比ⅢA族元素的第一电离能大,ⅤA族比ⅥA族第一电离能大,ns2np3、ns2np4、ns2np5、ns2np6属于同一周期且其原子序数依次增大,但ns2np3属于ⅤA族元素,ns2np4属于ⅥA族,所以元素的第一电离能的大小顺序是ns2np6、ns2np5、ns2np3、ns2np4,所以最小的为ns2np4,故选C。
C
2.下列有关电离能的说法,正确的是(  )
A.第一电离能越大的原子失电子的能力越强
B.第一电离能是元素的原子失去核外第一个电子需要的能量
C.同一周期中,主族元素的第一电离能从左到右越来越大
D.同主族元素,随原子序数的递增,第一电离能逐渐减小
解析 元素原子的第一电离能越大,表示该元素的原子越难失去电子,故A错误;电离能是气态基态原子或气态基态离子失去一个电子所需要的最小能量,元素原子失去一个电子的电离能称为第一电离能,故B错误;从总的变化趋势上看,同一周期中主族元素的第一电离能从左到右逐渐增大,但有反常,如I1(N)>I1(O),故C错误;同主族元素,随原子序数的递增,第一电离能逐渐减小,故D正确。
D
3.如图表示X元素的基态原子失去电子数与对应电离能的对数值的关系,试推断X可能位于(  )
A.ⅠA族 B.ⅡA族
C.ⅢA族 D.ⅣA族
解析 图中纵坐标表示X元素的各级电离能的对数值,由图可知X元素的第二电离能和第三电离能之间有突变,说明它容易失去两个电子,所以它可能是ⅡA族元素。
B
4.请回答下列问题:
(1)依据第2周期元素第一电离能的变化规律,参照如图B、F元素的位置,用小黑点标出C、N、O三种元素的相对位置。
(2)元素的第一电离能:Al   Si(填“>”或“<”)。
(3)S、N、O三种元素第一电离能由大到小的顺序为      。
答案
<
N>O>S
解析 (2)同一周期元素自左向右第一电离能有增大趋势,第一电离能AlO>S。
课时精练5
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.下列化合物中阴离子半径和阳离子半径之比最大的是(  )
A.LiI B.NaBr C.KCl D.CsF
解析 碱金属离子半径:r(Li+)A
2.(2024·黑龙江齐齐哈尔高二期中)已知三种元素基态原子的电子排布式分别为:①1s22s22p5、②1s22s22p63s23p3、③1s22s22p63s23p4。下列比较正确的是(  )
A.原子半径:②>③>① B.原子半径:③>②>①
C.简单离子半径:③>①>② D.简单离子半径:①>③>②
解析 由三种元素基态原子的电子排布式可知,①为F元素;②为P元素;③为S元素。同周期主族元素从左往右原子半径逐渐减小,所以原子半径:P>S,一般情况下电子层数越多原子半径越大,所以原子半径:S>F,故原子半径:P>S>F,A项正确,B项错误;P3-和S2-的核外电子排布相同,核电荷数越大,半径越小,所以半径:P3->S2-,P3-、S2-比F-多一个电子层,因此半径:P3->S2->F-,C、D项错误。
A
3.下列关于元素第一电离能的说法不正确的是(  )
A.钾元素的第一电离能小于钠元素的第一电离能,故钾的活泼性强于钠
B.因同周期元素的原子半径从左到右逐渐减小,故第一电离能依次增大
C.最外层电子排布式为ns2np6(若只有K层时为1s2)的原子,第一电离能较大
D.对于同一元素而言,元素的电离能:I1解析 同一主族,从上到下元素的第一电离能越来越小,金属活泼性越来越强,故A正确;同周期ⅡA族与ⅤA族元素,第一电离能出现了反常,故B错误;最外层电子排布式为ns2np6(若只有K层时为1s2)的原子为稀有气体原子,第一电离能较大,故C正确;同一元素电离能:I1B
4.下列各组元素的第一电离能按递增的顺序排列的是(  )
A.Li、Be、B B.Al、Si、P
C.N、O、F D.Li、Na、K
解析 元素的第一电离能:同周期元素从左到右呈增大的趋势,但ⅡA、ⅤA族反常,比同周期相邻主族元素的第一电离能大,故A、C不符合题意;同主族元素自上而下第一电离能逐渐减小,故D不符合题意。
B
5.下列各组元素中按微粒半径递增顺序排列的是(  )
A.K Na Li B.N O F
C.Ca2+ K+ Cl- D.Ba2+ Ca2+ Mg2+
解析 同主族元素自上而下原子半径增大,则原子半径大小为LiO>F,B错误;离子电子层结构相同,核电荷数越大离子半径越小,则离子半径大小为Ca2+Ca2+>Mg2+,D错误。
C
6.已知某原子的各级电离能数值如下:I1=577 kJ·mol-1,I2=1 817 kJ·mol-1,I3=2 745 kJ·mol-1,I4=11 578 kJ·mol-1,则该元素的化合价为(  )
A.+1价 B.+2价 C.+3价 D.+4价
解析 第三电离能到第四电离能发生突跃,所以元素呈现+3价。
C
7.下图表示前18号元素的原子序数和气态原子失去核外第一个电子所需的最小能量(kJ·mol-1)的变化图像。其中A、B、C各点表示的元素是(  )
A.N、S、P B.F、Cl、O
C.He、Ne、Ar D.Si、C、B
解析 A、B、C的第一电离能是各自周
期中最大的,即最难失电子,故A、B、C是
各自周期中的稀有气体元素He、Ne、Ar。
C
8.某元素X的所示,下列说法正确的是(  )
A.X元素的常见价态为+4价
B.X为非金属元素
C.X为第5周期元素
D.X的单质与氯气反应时最可能生成的阳离子为X3+
解析 根据电离能图知,第三电离能和第四电离能之间的差距最大,所以X元素原子最外层有3个电子,在化学反应中容易失去3个电子,形成+3价阳离子,故A错误、D正确;X元素可能位于ⅢA族,ⅢA族有金属元素也有非金属元素,根据已知条件无法确定X元素是否为非金属元素,也无法确定X元素所在的周期数,故B、C错误。
D
9.已知部分短周期元素的简单离子aA2+、bB+、cC3-、dD-具有相同的电子层结构,则下列叙述正确的是(  )
A.原子半径:A>B>D>C B.d>c>b>a
C.离子半径:C3->D->B+>A2+ D.单质的还原性:A>B
解析 由题意可知,A、B、C、D分别为Mg、Na、N、F。原子半径:Na>Mg>N>F,A项错误;原子序数:Mg>Na>F>N,则a>b>d>c,B项错误;核外电子排布相同时,离子半径随核电荷数的增大而减小,则离子半径:N3->F->Na+>Mg2+,C项正确;同周期主族元素自左向右,金属性逐渐减弱,对应单质的还原性逐渐减弱,则还原性:Na>Mg,D项错误。
C
10.根据下列五种元素的电离能数据(单位:kJ·mol-1),判断下列说法不正确的是(  )
A.Q元素可能是0族元素
B.R和S均可能与U在同一主族
C.U元素不可能在元素周期表的p区
D.原子的价电子排布式为ns2np1的可能是T元素
B
元素代号 I1 I2 I3 I4
Q 2 080 4 000 6 100 9 400
R 500 4 600 6 900 9 500
S 740 1 500 7 700 10 500
T 580 1 800 2 700 11 600
U 420 3 100 4 400 5 900
解析 Q元素的I1数值很大,故Q可能是0族元素,A项正确;根据电离能数据可知,R的最外电子层应该有1个电子,S的最外电子层应该有2个电子,不属于同一主族的元素,B项错误;U的最外电子层有1个电子,不可能属于p区元素,C项正确;T元素最外层有3个电子,价电子排布式可能为ns2np1,D项正确。
11.具有下列电子层结构的原子,其第一电离能由大到小排列正确的是(  )
①3p轨道上只有一对成对电子的原子
②价电子排布式为3s23p6的原子
③其3p轨道为半充满的原子
④正三价的阳离子的电子层结构与氖原子结构相同
A.①②③④ B.③①②④
C.②③①④ D.②④①③
C
解析 本题考查同周期元素第一电离能的递变规律,题中所述结构的原子都是第3周期元素。②是稀有气体Ar,其第一电离能最大。①是硫原子,③是磷原子,④是铝原子。根据规律I1(Al)最小,S虽然在P的右边,但磷原子3p轨道是3p3半充满结构,较稳定,故I1(P)>I1(S)。
12.(2024·福建福州高二月考)下列氮元素的电子排布式表示的状态中,失去一个电子所需能量最低的为(  )
B
13.(1)Li及其周期表中相邻元素的第一电离能(I1)如表所示。I1(Li)>I1(Na),原因是                        。
I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是_____________________________________________
_______________________________________________________________________________________。
Na与Li同族,Na电子层数多,原子半径大,易失电子
I1/(kJ·mol-1)
Li
520 Be
900 B
801
Na
496 Mg
738 Al
578
Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加,Be为1s22s2全充满稳定结构,第一电离能最大,与Li相比,B核电荷数大,原子半径小,较难失去电子,第一电离能较大
解析 (1)Li和Na均为ⅠA族元素,由于Na电子层数多,原子半径大,故Na比Li容易失去最外层电子,即I1(Li)>I1(Na);Li、Be、B均为第2周期元素,随原子序数递增,第一电离能有增大的趋势,而Be的2s能级处于全充满状态,较难失去电子,故第一电离能Be比B大;
(2)黄铜是人类最早使用的合金之一,主要由Zn和Cu组成。第一电离能I1(Zn)____ I1(Cu)(填“大于”或“小于”)。原因是_______________________________________
_____________。
(3)元素Mn与O中,第一电离能较大的是   。
(4)根据元素周期律,原子半径Ga    As,第一电离能Ga    As(填“大于”或“小于”)。
大于
Zn原子的最外层电子排布为全充满稳定结构,较难失电子
O
大于
小于
解析 (2)Cu的价电子排布式为3d104s1,4s轨道处于半充满状态,而Zn的4s轨道处于全充满状态,Zn更不易失去1个电子,所以Zn的第一电离能较大;(3)O是非金属元素,而Mn是金属元素,前者易得电子而不易失电子,后者则反之,所以O的第一电离能大于Mn;(4)同周期主族元素从左到右,原子半径逐渐减小,第一电离能呈增大趋势,Ga的原子半径大于As;Ga的第一电离能小于As。
14.如图是部分元素原子的第一电离能I1随原子序数变化的曲线图。
请回答以下问题:
(1)认真分析图中同周期元素第一电离能的变化规律,将Na~Ar之间的元素用短线连接起来,构成完整的图像。
答案
解析 (1)依据第2周期第一电离能的递变规律,可以连出第3周期第一电离能的变化图像;
(2)由图分析可知,同一主族元素原子的第一电离能I1变化规律是
            。
(3)图中5号元素在周期表中的位置是第     周期    族。
(4)图中出现的元素中最活泼的金属元素位于元素周期表的第    周期_______族。
(5)写出图中6号元素的价电子排布式:     。
(6)分析图中同周期元素第一电离能的变化规律,推断Na~Ar元素中,Al的第一电离能的大小范围    从上到下依次减小
3
ⅤA
5
ⅠA
3s23p5
Na
Mg
解析 (2)由图可以得出同一主族第一电离能的变化规律:从上到下依次减小;(3)图中5号元素是P,P在周期表中处于第3周期ⅤA族;(4)依据同一周期元素的金属性从左到右逐渐减弱,同一主族从上到下逐渐增强,可以得出图中出现的元素中最活泼的金属元素是Rb,处于第5周期ⅠA族;(5)图中6号元素是Cl,价电子排布式3s23p5;(6)依据第一电离能递变规律,可以得出Al的第一电离能的大小范围NaB级 素养培优练
选择题有1个或2个选项符合题意
15.已知X、Y是主族元素,I为电离能,单位是 kJ·mol-1。根据下表所列数据判断错误的是(  )
A.元素X的常见化合价是+1价
B.元素Y是ⅡA族的元素
C.元素X与氯元素组成化合物时,
化学式可能是XCl
D.若元素Y处于第3周期,它可与冷水剧烈反应生成YOH和H2
BD
元素 I1 I2 I3 I4
X 500 4 600 6 900 9 500
Y 580 1 800 2 700 11 600
解析 分析表中给出的数据,元素X的I1、I2差别很大,说明X易失去一个电子,而难失去更多的电子,因此X易形成+1价阳离子,与Cl-形成的化合物的化学式为XCl,A、C正确;元素Y由I3到I4有很大变化,说明Y易失去3个电子,即Y原子的最外层上有3个电子,所以应位于ⅢA族,B项错误;若Y位于第3周期,则为Al,不能与冷水剧烈反应,D项错误。
16.下表是元素周期表的一部分,表中所列的字母分别代表一种化学元素。试回答下列问题:
(1)元素p的原子结构示意图为            。
(2)o、p两元素的部分电离能数据如下表:
元素电离能/kJ·mol-1 元素
o p
I1 717 759
I2 1 509 1 561
I3 3 248 2 957
比较两元素的I2、I3可知,气态o2+再失去一个电子比气态p2+再失去一个电子难。对此,你的解释是______________________________________________________
___________________________________________________________________。
基态Mn2+价电子排布为3d5,基态Fe2+价电子排布为3d6,基态Mn2+的价电子排布为半充满稳定状态,比Fe2+更难再失去1个电子 
解析 (2)o、p两元素分别为锰、铁,基态Mn2+价电子排布为3d5,基态Fe2+价电子排布为3d6,基态Mn2+的价电子排布为半充满稳定状态,比Fe2+更难再失去1个电子,故其I3更大;
(3)第3周期8种元素单质熔点高低的顺序如图所示,其中电离能最大的是_____(填下图中的数字序号)。
1
解析 (3)第3周期8种元素单质,钠、镁、铝、硅、磷、硫常温下为固体,氯、氩单质常温下为气体,熔点最低的为氩气,电离能最大的为Ar,应选1号;
(4)表中所列的某主族元素的电离能情况如图所示,则该元素是  (填元素符号)。
(5)基态钒原子的价电子轨道表示式为          。
(6)写出前四周期单电子数最多的基态原子的电子排布式:         。
Al
1s22s22p63s23p63d54s1

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