2012版化学一轮精品复习学案:9.1 原电池 化学电源(选修4)

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2012版化学一轮精品复习学案:9.1 原电池 化学电源(选修4)

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第九章 电化学基础
【备考策略】
综合分析近3年各地高考试题,高考命题在本章有以下规律:
1.从考查题型和考查内容上看,形式不外乎选择题和非选择题两种。考查内容主要有以下三个方面:
(1)原电池原理及其应用以及金属的腐蚀与防护;
(2)电解原理、精炼铜;(3)可充电电池的充电与放电。
2.从命题思路上看,选择题常以新型电源和生产生活、科学实验、物质制备等为背景,考查电极的判断、离子或电子的移动方向、电极上电子转移的数目、电极上发生的反应类型、电极附近溶液的酸碱性、电极反应式的正误判断、金属腐蚀的原因及防护措施等;而非选择题则常考查电极反应式的书写、利用原电池工作原理和电解原理探究金属腐蚀的原因及防护的措施、某些反应速率加快的原因、电解原理的应用和进行简单的有关计算等,能较好地考查学生对知识的迁移能力、灵活应用能力、运用化学用语的能力。
3.纵观近3年高考,电化学试题的特点是考查原电池工作原理的试题多于考查电解原理的试题,并且几乎每年必考,试题题目常考常新,形式灵活,角度新颖,但以后对电解原理不可掉以轻心。
根据近3年高考命题的特点和规律,复习本章时,要注意以下几个方面:
1.原电池和电解池的区别与联系
电化学从根本上分为原电池和电解池,但由此衍生出的应用电池比较复杂,且相互联系又不尽相同。这对考生的理解能力、分析能力无疑是一种挑战,也必然成为高考的重点内容,所以在复习时,应以本质为依据、联系为桥梁、区别为落脚点,弄清每个池。比较几个池时,要弄清:
(1)构成各个池的基本元件有哪些?(2)该电池有哪些特点?(3)电极选择与电解液选择有何要求?(4)工作过程中有哪些具体变化等,理解了每个电池的特点,并能准确的形成基本的工业应用模型和高考解题模型,从而正确的迁移到高考试题中去。
2.电极反应方程式的书写与判断
首先应搞清电极反应和电极名称,会根据放电规律,判断电极产物,另外要注意灵活应用“阳极式”+“阴极式”=总反应的方程式。
3.金属的腐蚀与防护
金属的腐蚀与防护在近两年的高考试题中多次出现,其实质是原电池、电解池原理的应用。因此复习时要注意理解金属腐蚀的原理并记住常见金属防护的具体措施。
4.新型电池分析
新型电池的分析的是新课标高考命题的热点,分析的关键是根据原电池和电解池的工作原理,分析清楚电极反应的实质。
5.重视电化学与其他知识点的联系
复习时应从氧化还原反应的基本原理入手,将原电池、电解池的构成要素、工作原理、电极反应的特点、电子转移过程与能量转化关系、电子守恒等问题进行系统归纳,形成科学的知识体系,并在此基础上通过对比、联系等方式,在知识、能力与题型之间寻找有关规律。
第一节 原电池、化学电源
【高考目标导航】
考纲导引21世纪教育网 考点梳理
1.了解原电池的工作原理,能写出电极反应式和电池反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。 原电池常见的化学电源
【基础知识梳理】
一、原电池的工作原理
1、定义:把化学能转化为电能的装置
2.实质:一个能自发进行的氧化还原反应。
3.原理:
电极名称 负极 正极
电极材料 Zn Cu
电极反应 Zn—2e-== Zn2+ Cu2++2e-==Cu
反应类型 氧化反应 还原反应
电子流向 由Zn沿导线流向Cu
4.原电池的形成条件
构成前提:两个电极中至少有一个可以和电解质溶液自发地发生氧化还原反应
(1)活动性不同的金属(其中一种可以为非金属,即作导体用)作电极。
(2)两电极插入电解质溶液中。
(3)形成闭合回路。(两电极外线用导线连接,可以接用电器。)
二、常见的化学电源
1.一次电池(碱性锌锰干电池)
反应原理:负极: Zn Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2
正极: MnO2 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
总反应式:Zn+ 2MnO2+2H2O= 2MnOOH+ Zn(OH)2
2.二次电池(可充电电池)
铅蓄电池为典型的可充电电池,其电极反应分为放电和充电两个过程
(1)正负极材料
正极:PbO2 负极:Pb 电解质:H2SO4溶液
(2)放电过程
负极:Pb-2e-+SO42-=PbSO4 氧化反应
正极:PbO2+SO42-+4H++2e-=PbSO4+2H2O 还原反应
放电过程总反应: Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4=2PbSO4(s)+2H2O
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程
(3)充电过程
阴极:PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42- 还原反应 接电源负极
阳极: 2PbSO4 (s)+2H2O -2e- = PbO2(s) + 4H++ 2SO42- 接电源正极 氧化反应
充电过程总反应:2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4
铅蓄电池的充放电过程:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
3.燃料电池
燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。根据介质不同可分为以下几种
酸性 碱性
负极反应式 2H2 - 4e- = 4H+ 2H2 +4OH-- 4e- = 4H2O[来源:21世纪教育网]
正极反应式 O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-
总反应式 2H2 +O2 = 2H2O
【要点名师透析】
一、原电池正负极的判断和电极反应式的书写
1.原电池的正负极的判断:
①根据电子流动方向判断。在原电池中,电子流出的一极是负极;电子流入的一极是正极。
②根据两极材料判断。一般活泼性较强的金属为负极;活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
③根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断。阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
④根据原电池两极发生的变化来判断。负极发生氧化反应;正极发生还原反应。
⑤根据现象判断。溶解的一极为负极,质量增加或放出气体的一极为正极。
2.电极反应式的书写
(1)一般电极反应式的书写
(2)复杂的电极反应式的书写
对于复杂的电极反应式可由电池反应减去负极反应而得到正极反应。此时必须保证电池反应转移的电子数等于电极反应转移的电子数,即遵守电荷守恒和质量守恒和电子守恒规律。
【典例1】 (2011·淮阴中学学情检测)日本茨城大学研制了一种新型的质子交换膜二甲醚燃料电池(DDFC),该电池有较高的安全性。电池总反应为:CH3OCH3+3O2===2CO2+3H2O,电池示意如图,下列说法不正确的是( )
A.a极为电池的负极
B.电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极
C.电池正极的电极反应为: 4H+ + O2 + 4e-===2H2O
D.电池工作时,1mol二甲醚被氧化时就有6mol电子转移
【答案】D
【解析】由电池总反应式可知:二甲醚发生氧化反应,为负极反应物,氧气发生还原反应,为正极反应物,所以a为负极,b为正极;工作时,电子由a极沿导线经灯泡再到b极,电流由b极沿导线经灯泡再到a极;
负极反应为: CH3OCH3-12e-+3H2O===2CO2+12H+,
正极反应为:4H+ + O2 + 4e-===2H2O;
电池工作时,1mol二甲醚被氧化时就有12mol电子转移。
二、原电池原理在化工、农业生产及科研中的应用。
1.比较不同金属的活动性强弱
根据原电池原理可知,在原电池反应过程中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或碳棒)作正极.若有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入到稀硫酸中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,说明在原电池工作过程中,A被氧化成阳离子而失去电子作负极,B作正极,则金属A的金属活动性比B强.
2.加快化学反应速率
由于原电池将氧化还原反应拆成两个半反应且有电流产生,因而反应速率加快.
如Zn与稀H2SO4反应制氢气时,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成Cu-Zn原电池,加快反应进行.
3.用于金属的防护
要保护一个铁制闸门,可用导线将其与一锌块相连,使锌作原电池的负极,铁制闸门作正极.
4.设计制作化学电源
设计原电池时要紧扣构成原电池的条件.
(1)首要将已知氧化还原反应拆分为两个半反应;
(2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正负极材料(负极就是失电子的物质,正极用比负极活泼性差的金属或导电的非金属如石墨)及电解质溶液
【典例2】为了避免青铜器生成铜绿,以下方法不正确的是(  )
A.将青铜器放在铁质托盘上
B.将青铜器保存在干燥的环境中
C.将青铜器保存在潮湿的空气中
D.在青铜器的表面覆盖一层防渗的高分子膜
【答案】C
【解析】铜绿是生活中常见的现象,反应原理为2Cu+O2+CO2+H2O  Cu2CO3(OH)2,故青铜器应保存在干燥的环境中或表面覆盖一层防渗的高分子膜防止被腐蚀。放在铁质托盘上,会构成原电池反应,但铜为正极被保护。
方法指导:原电池原理在解决能源的利用和金属材料防腐等问题中应用较广,要学会运用原电池的反应原理分析社会和生活中的具体问题。
【感悟高考真题】
1.(2011·福建高考·11).研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是
A.水既是氧化剂又是溶剂 B.放电时正极上有氢气生成
C.放电时OH-向正极移动 D.总反应为:
【答案】选C。【解析】解答本题要明确如下三点:
(1)一般是活泼金属作原电池的负极失去电子,发生氧化反应;
(2)一般是溶液中的阳离子移向正极得到电子,发生还原反应;
(3)金属锂是一种活泼的碱金属,容易和水反应放出氢气。
金属锂比铁活泼,作原电池的负极,电极反应式为:
Li-e-=Li+,LiOH溶液中的阳离子有Li+和H+,由于氧化性H+>Li+,所以正极反应是:2H++2e-H2↑,由于H+来自于水的电离,所以H+放电的同时溶液中产生了OH-,即该反应的总反应为:2Li+2H2O=2LiOH+H2↑,水既是氧化剂又是溶剂。在原电池的放电过程中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以OH-向负极移动,C选项错误。
2.(2011·海南高考·6)一种充电电池放电时的电极反应为:H2+2OH—-2e-2H2O NiO(OH)+H2O+e-Ni(OH)2+OH-当为电池充电时,与外电源正极连接的电极上发生的反应是( )。
A.H2O的还原 B.NiO(OH)的还原
C.H2的氧化 D.Ni(OH)2的氧化
【答案】选D。【解析】解答本题要明确以下三点:
(1)可充电电池在充、放电时所依据的原理;
(2)电解池中电极的名称和规定;
(3)电极上发生反应的反应类型。
由题意知,电池总反应为H2+2NiO(OH)Ni(OH)2。
可充电电池在充电时,实际上起一个电解池的作用,与外电源正极连接的电极是阳极,发生氧化反应,与放电时的正极反应相反,可知Ni(OH)2在反应中失电子被氧化,发生氧化反应。
3.(2011·新课标全国卷·11)铁镍蓄电池又称爱迪生电池,放电时的总反应为:
Fe+Ni2O3+3H2O=Fe(OH)2+2Ni(OH)2
下列有关该电池的说法不正确的是
A. 电池的电解液为碱性溶液,正极为Ni2O3,负极为Fe
B. 电池放电时,负极反应为Fe+2OH--2e-=Fe(OH)2
C. 电池充电过程中,阴极附近溶液的pH降低
D. 电池充电时,阳极反应为2Ni(OH)2+2OH--2e-=Ni2O3+3H2O
【答案】选C。
【解析】解答本题时应注意电池放电时为原电池,失去电子的为负极反应;充电时为电解池,失去电子的为阳极反应。
选项 具体分析 结论
A 可充电电池中活泼金属失去电子,为负极,得到电子的Ni2O3为正极,因为放电时电极产物为氢氧化物,可以判断电解液为碱性溶液。 正确
B 放电时,负极铁失去2个电子,生成Fe2+,因为电解液为碱性溶液,所以电极反应为:Fe+2OH--2e-=Fe(OH)2 正确
C 充电时,阴极发生还原反应:Fe(OH)2+2e-= Fe+2OH-,所以电极附近pH增大[来源:21世纪教育网] 错误
D 电池充电时,阳极发生氧化反应,由Ni(OH)2转化为Ni2O3,反应方程式为:2Ni(OH)2+2OH--2e-=Ni2O3+3H2O21世纪教育网 正确
4.(2011·浙江高考·10)
将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上,一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗,在液滴外沿形成棕色铁锈环(b),如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。
下列说法正确的是( )
A.液滴中的Cl―由a区向b区迁移
B.液滴边缘是正极区,发生的电极反应为:O2+2H2O+4e-4OH-
C.液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀,生成的Fe2+由a区向b区迁移,与b
区的OH―形成Fe(OH)2,进一步氧化、脱水形成铁锈
D.若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板,在铜铁接触处滴加NaCl溶液,则负极发生的电极反应为Cu-2e-Cu2+
【答案】选B。【解析】利用电化学内容中金属吸氧腐蚀的原理去分析该原电池的电极反应以及所形成的电流回路,从而判断离子的移动方向。
液滴边缘O2多,发生正极反应O2+2H2O+4e-4OH-。液滴下的Fe发生负极反应,Fe-2e-Fe2+,为腐蚀区(a)。A项错误,Cl-由b区向a区迁移;B项正确;C项错误,液滴下的Fe因发生氧化反应而被腐蚀;D项错误,Cu不如Fe活泼,作正极,负极反应为:Fe-2e-==Fe2+。
5.(2010·全国卷1)右图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个点极由有机光敏燃料(S)涂覆在纳米晶体表面制成,另一电极由导电玻璃镀铂构成,电池中发生的反应为:
(激发态)
下列关于该电池叙述错误的是:
A.电池工作时,是将太阳能转化为电能
B.电池工作时,离子在镀铂导电玻璃电极上放电
C.电池中镀铂导电玻璃为正极
D.电池的电解质溶液中I-和I3-的浓度不会减少21世纪教育网
【答案】B
【解析】B选项错误,从示意图可看在外电路中电子由负极流向正极,也即镀铂电极做正极,发生还原反应:I3-+2e-=3I-;A选项正确,这是个太阳能电池,从装置示意图可看出是个原电池,最终是将光能转化为化学能,应为把上面四个反应加起来可知,化学物质并没有减少;C正确,见B选项的解析;D正确,此太阳能电池中总的反应一部分实质就是:I3-3I-的转化(还有I2+I-I3-),另一部分就是光敏有机物从激发态与基态的相互转化而已,所有化学物质最终均不被损耗!
【命题意图】考查新型原电池,原电池的两电极反应式,电子流向与电流流向,太阳能电池的工作原理,原电池的总反应式等,还考查考生变通能力和心理素质,能否适应陌生的情境下应用所学知识解决新的问题等
6.(2010·浙江卷)Li-Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池,该电池中正极的电极反应式为: 2Li++FeS+2e-=Li2S+Fe 有关该电池的下列中,正确的是
Li-Al在电池中作为负极材料,该材料中Li的化合价为+1价
该电池的电池反应式为:2Li+FeS=Li2S+Fe
负极的电极反应式为Al-3e-=Al3+
充电时,阴极发生的电极反应式为:
【答案】C
【解析】
本题涵盖电解池与原电池的主体内容,涉及电极判断与电极反应式书写等问题。根据给出的正极得电子的反应,原电池的电极材料Li-Al/FeS可以判断放电时(原电池)负极的电极反应式为Al-3e-=Al3+。A、Li和Al分别是两极材料。B、应有Al的参加。D、应当是阳极失电子反应。
7.(2010·广东理综卷)铜锌原电池(如图9)工作时,下列叙述正确的是 21世纪教育网
A 正极反应为:Zn—2e-=Zn2+
B电池反应为:Zn+Cu2+=Zn2+ +CU
C 在外电路中,电子从负极流向正极
D 盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
【答案】BC
【解析】Zn是负极,故A错;
电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同,故B正确;
根据闭合回路的电流方向,在外电路中,电子由负极流向正极,故C正确;
在溶液中,阳离子往正极移动,故D错误。
8.(2010·福建卷)铅蓄电池的工作原理为:研读 右图,下列判断不正确的是
A.K 闭合时,d电极反应式:
B.当电路中转移0.2mol电子时,I中消耗的为0.2 mol
C.K闭合时,II中向c电极迁移
D.K闭合一段时间后,II可单独作为原电池,d电极为正极
【答案】C【解析】
本题考查电化学(原电池、电解池)的相关知识
K闭合时Ⅰ为电解池,Ⅱ为电解池,Ⅱ中发生充电反应,d电极为阳极发生氧化反应,其反应式为PbSO4 + 2H2O -2e- = PbO2 + 4H+ + SO42- 所以A正确。在上述总反应式中,得失电子总数为2e-,当电路中转移0.2mol电子时,可以计算出Ⅰ中消耗的硫酸的量为0.2mol,所以B对。K闭合一段时间,也就是充电一段时间后Ⅱ可以作为原电池,由于c表面生成Pb,放电时做电源的负极,d表面生成PbO2,做电源的正极,所以D也正确。K闭合时d是阳极,阴离子向阳极移动,所以C错。
9.(2010·江苏卷)右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。 下列说法正确的是
A.该系统中只存在3种形式的能量转化21世纪教育网
B.装置Y中负极的电极反应式为:
C.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,并能实现化学能与电能间的完全转化
【答案】C
【解析】本题主要考查的是电化学知识。A项,在该装置系统中,有四种能量转化的关系,即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化;B项,装置Y为氢氧燃料电池,负极电极反应为H2 -2e- + 2OH- = 2H2O;C项,相当于用光能电解水,产生H2和O2,实现燃料(H2)和氧化剂(O2)的再生;D项,在反应过程中,有能力的损耗和热效应的产生,不可能实现化学能和电能的完全转化。综上分析可知,本题选C项。
10(2009·广东卷·14T)可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液,铝合金为负极,空气电极为正极。下列说法正确的是
A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为:O2+2H2O+4e-=4OH-
B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为:Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓
C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的pH保持不变
D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极
【答案】A
【解析】 电解质溶液显碱性或中性, 该燃料电极的正极发生反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-,A对;铝作负极,负极反应应该是铝失去电子变为铝离子,在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根,因此负极反应为:Al+4OH--3e=AlO2——+ 2H2O,B错; 该电池在碱性条件下消耗了碱,反应式为4Al+3O2+4OH-= 4AlO2——+ 2H2O溶液PH降低,C错;电池工作时,电子从负极出来经过外电路流到正极,D错.
【考点分析】考查燃料电池 。
11.(2009·上海卷)茫茫黑夜中,航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、Pt-Fe合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中
①铝合金是阳极 ②铝合金是负极21世纪教育网
③海水是电解液 ④铝合金电极发生还原反应
A.②③ B.②④
C.①② D.①④
【答案】A
【解析】电池电极只称为正、负极,故①错。其中活泼的一极为负极,即为铝合金,②对。电极在海水中,故海水为电解质溶液,③对。④铝合金为负极,则发生氧化反应,故错。
【考点分析】原电池的构成及电极反应的判断。
12.(2009·浙江卷) 市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为:Li+2Li
下列说法不正确的是
A.放电时,负极的电极反应式:Li-e=Li
B.充电时,Li既发生氧化反应又发生还原反应
C.该电池不能用水溶液作为电解质
D.放电过程中Li向负极移动
【答案】D
【解析】A项,Li从零价升至正价,失去电子,作为负极,正确;B项,反应逆向进行时。反应物只有一种,故化合价既有升,又有降,所以既发生氧化反应又发生还原反应,正确;C项,由于Li可以与水反应,故应为非水材料,正确;D项,原电池中阳离子应迁移至正极失电子,故错。
13.(2011·山东高考·29)科研、生产中常涉及钠、硫及其化合物。
(1)实验室可用无水乙醇处理少量残留的金属钠,化学反应方程式为 。要清洗附着在试管壁上的硫,可用的试剂是 。
(2)如图为钠高能电池的结构示意图,该电池的工作温度为320℃左右,电池反应为2Na+S=Na2,正极的电极反应式为 。M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是 。与铅蓄电池相比,当消耗相同质量的负极活性物质时,钠硫电池的理论放电量是铅蓄电池的 倍。
(3)溶液中离子浓度由大到小的顺序为 ,向该溶液中加入少量固体,溶液PH (填“增大”、“减小”或“不变”),溶液长期放置有硫析出,原因为 (用离子方程式表示)。
【解析】根据总的电池反应书写电极反应式;溶液长期放置有硫生成一定有氧气参加。
(1)2CH3CH2OH+2Na→2CH3CH2ONa+H2↑ CS2或热的NaOH溶液
(2)正极的电极反应式为:xS+2e-=Sx2-,M的作用一是导电,二是因钠与硫易反应,故它起到隔离作用;钠高能电池中负极为钠,有23g钠消耗释放1mole-,则207g钠消耗时转移207/23mole-,铅蓄电池的电极反应为:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O,铅蓄电池中铅是负极,207g铅消耗时转移2mole-,故钠硫电池的理论放电量是铅蓄电池的:207/23:2=4.5倍。
(3)根据电离与水解的知识可判断:c(Na+)>c(S2-)>c(OH-)>c(HS-)>c(H+),加入少量固体后,溶液中发生离子反应:Cu2++S2-=CuS↓,由于c(S2-)降低,故由S2-水解产生的OH-量减小,c(OH-)变小,c(H+)变大,溶液的pH减小;溶液长期放置所发生的化学反应方程式为2Na2S+O2+2H2O=4NaOH+2S↓,故离子方程式为2S2-+O2+2H2O=4OH-+2S↓。
【答案】(1)2CH3CH2OH+2Na→2CH3CH2ONa+H2↑ CS2或热的NaOH溶液
(2)xS+2e-=Sx2- (或 2Na++xS+2e-= Na2Sx) 导电和隔离钠与硫 4.5
(3)c(Na+)>c(S2-)>c(OH-)>c(HS-)>c(H+) 减小 2S2-+O2+2H2O=4OH-+2S↓
14.(2011·江苏高考·18)Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质,可通过下列方法制备:在KOH溶液中加入适量AgNO3 溶液,生成Ag2O沉淀,保持反应温度为80℃,边搅拌边将一定量K2S2O8溶液缓慢加到上述混合物中,反应完全后,过滤、洗涤、真空干燥得到固体样品。反应方程式为
2AgNO3+4KOH+K2S2O8 Ag2O2↓+2 KNO3+2K2 SO4+2H2O
回答下列问题:
(1)上述制备过程中,检验洗剂是否完全的方法是 .
(2)银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液,电池放电时正极的Ag2O2 转化为Ag,负极的转化为,写出该电池反应方程式: .
(3)准确称取上述制备的样品(设仅含Ag2O2和Ag2O)2.558g,在一定的条件下完全分解为Ag 和O2 ,得到224.0mL O2(标准状况下)。计算样品中Ag2O2的质量分数(计算结果精确到小数点后两位)。
【解析】解答本题时应抓住题给信息,明确题目要求,分析发生的化学反应,结合相关化学原理,回答相关问题。
【答案】
(1)检验相关离子是否存在,就可以检验洗涤是否完全;
(2)根据电池正、负极反应的物质和电解质溶液,分析反应物和生成物,根据电子守恒进行配平;
(3)
【答案】(1)取少许最后一次洗涤滤液,滴入1~2滴Ba(NO3)溶液,若不出现白色沉淀,表示已经洗涤完全(或取少许最后一次洗涤滤液,滴入1~2滴酚酞溶液,若溶液不显红色,表示已经洗涤完全)
(2)Ag2O2+2Zn+4KOH+2H2O 2K2 Zn(OH)4+2 Ag
(3)0.91
15.(2010·安徽卷)(14分)锂离子电池的广泛应用使回收利用锂货源成为重要课题:某研究性学习小组对废旧锂离子电池正极材料(LiMn2O4、碳粉等涂覆在铝箔上)进行资源回收研究,设计实验流程如下:
(1)第②步反应得到的沉淀X的化学式为 。
(2)第③步反应的离子方程式是 。
(3)第④步反应后,过滤Li2CO3所需的玻璃仪器有 。
若过滤时发现滤液中有少量浑浊,从实验操作的角度给出两种可能的原因:
、 。
(4)若废旧锂离子电池正极材料含LiNB2O4的质量为18.1 g第③步反应中加入20.0mL3.0mol·L-1的H2SO4溶液。定正极材料中的锂经反应③和④完全为Li2CO3,剩至少有 Na2CO3参加了反应。
【答案】(1)Al(OH)3
(2)4 LiMn2O4+O2+4H+=4Li++8MnO2+2H2O
(3) 漏斗 玻璃棒 烧杯 ; 滤纸破损、滤液超过滤纸边缘等
(4)5.3
【解析】第一步就是铝溶解在氢氧化钠溶液中 第二步就是偏铝酸钠与二氧化碳生成氢氧化铝,第三步是氧化还原反应,注意根据第一步反应LiMn2O4不溶于水。
第(4)小题计算时要通过计算判断出硫酸过量。
16.(2009·海南卷·15T) (9分) Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4—SOCl2。电池的总反应可表示为:4Li+2SOCl2 = 4LiCl +S +SO2。
请回答下列问题:
(1)电池的负极材料为 ,发生的电极反应为 ;
(2)电池正极发生的电极反应为 ;
(3)SOCl2易挥发,实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2,有Na2SO3和NaCl生成。 如果把少量水滴到SOCl2中,实验现象是 ,反应的化学方程式为 ;
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行,原因是 。
【答案】(1)负极材料为Li(还原剂),Li – e- = Li+
(2)2SOCl2 + 4 e- = 4Cl- + S + SO2
(3)出现白雾,有刺激性气体生成SOCl2 + H2O = SO2 ↑+ 2HCl↑
(4)因为构成电池的两个主要成份Li能和氧气水反应,且SOCl2也与水反应
【解析】分析反应的化合价变化,可得Li为还原剂 ,SOCl2为氧化剂。
(1)负极材料为Li(还原剂),Li – e- = Li+
(2)负极反应式可由总反应减去负极反应式得到:2SOCl2 + 4 e- = 4Cl- + S + SO2
(3)题中给出有碱液吸收时的产物,则没有碱液吸收时的产物应为SO2和HCl,所以现象应该为出现白雾和有刺激性气体生成。
(4)因为构成电池的两个主要成份Li能和氧气水反应,且SOCl2也与水反应
17.(2009·天津卷)氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图,该电池电极表面镀一层细小的铂粉,铂吸附气体的能力强,性质稳定,请回答:
(1)氢氧燃料电池的能量转化主要形式是      ,在导线中电子流动方向为
     (用a、b 表示)。
(2)负极反应式为        。
(3)电极表面镀铂粉的原因为      。
(4)该电池工作时,H2和O2连续由外部供给,电池可连续不断提供电能。因此,大量安全储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料,吸氢和放氢原理如下:
Ⅰ.2Li+H22LIH
Ⅱ.LiH+H2O==LiOH+H2↑21世纪教育网
①反应Ⅰ中的还原剂是     ,反应Ⅱ中的氧化剂是     。
②已知LiH固体密度为0.82g/cm3。用锂吸收224L(标准状况)H2,生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为        。
③由②生成的LiH与H2O作用,放出的H2用作电池燃料,若能量转化率为80%,则导线中通过电子的物质的量为      mol。
【答案】
[21世纪教育网]
③32
【解析】本题考查电化学知识。(1)原电池的实质为化学能转化成电能。总反应为2H2 + O2 =2H2O,其中H2从零价升至+1价,失去电子,即电子从a流向b。(2)负极为失去电子的一极,即H2失电子生成H+,由于溶液是碱性的,故电极反应式左右应各加上OH-。(3)铂粉的接触面积大,可以加快反应速率。(4)I.Li从零价升至+1价,作还原剂。II.H2O的H从+1降至H2中的零价,作氧化剂。由反应I,当吸收10molH2时,则生成20molLiH,V=m/ρ=20×7.9/0.82 ×10-3L=192.68×10-3L。V(LiH)/v(H2)= 192.68×10-3L/224L=8.71×10-4。20mol LiH可生成20mol H2,实际参加反应的H2为20×80%=1.6mol,1molH2转化成1molH2O,转移2mol电子,所以1.6molH2可转移3.2mol的电子。
【考点模拟演练】
一、选择题
1.某原电池总反应的离子方程式为:,则下列组合中不能实现该原电池反应的是
A.正极为C,负极为,电解质溶液为溶液
B.正极为C,负极为,电解质溶液为溶液
C.正极为,负极为,电解溶液为溶液
D.正极为,负极为,电解质溶液为溶液
【答案】A
2.燃料电池是燃料(例如CO,H2,CH4等)跟氧气或空气起反应,将此反应的化学能转变为电能的装置,电解质通常是KOH溶液。下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是
A.负极反应式为CH4 + 10OH-- 8 e -= CO32-+ 7H2O
B.正极反应式为O2 + 2H2O + 4 e -= 4OH-
C.随着不断放电,电解质溶液碱性不变
D.甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大
【答案】C
3.镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染,且镁原电池放电时电压高而平稳,使镁原电池越来越成为人们研制绿色原电池的关注焦点。其中一种镁原电池的反应为: 在镁原电池放电时,下列说法错误的是
A.发生氧化反应
B.正极反应为:
C.向负极迁移
D.负极反应为:
【答案】AC
4.在下图所示的装置中,能够发生原电池反应的是
【答案】B
5. 镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:Cd + 2NiOOH +2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
有关该电池的说法正确的是( )
A.充电时阳极反应:Ni(OH)2 -e— + OH- == NiOOH + H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
【答案】A。
【解析】 本题是考查常见的镍镉(Ni-Cd)可充电电池的工作原理。由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知,充电时Ni(OH)2作阳极,电解质溶液为KOH,所以电极反应式为:Ni(OH)2-e- +OH-===NiOOH+H2O;Cd(OH)2作阴极,Cd(OH)2+2e- ===Cd+2OH-;充电的过程是将电能转化为化学能,放电时,Cd作负极,Cd-2e-+2OH- ===Cd(OH)2,Cd周围的c(OH-)下降,OH-向负极移动。
6.(2011·盐城市摸底)磷酸燃料电池是目前较为成熟的燃料电池,其基本组成和反应原理如下:下列说法不正确的是( )
A.在改质器中主要发生的反应为CXHY+XH2O XCO+(X+Y/2)H2
B.移位反应器中CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0。温度越高,CO转化率越大
C.负极排出的气体主要是CO2
D.该电池正极的电极反应为 O2+4H++4e-===2H2O
【答案】B
【解析】由图可以看出,进入改质器的气体是CXHY和H2O,出来的是H2、CO、H2O,A选项正确;在移位反应器中,CO和H2O反应生成CO2和H2,此反应放热,升高温度,平衡逆移,CO转化率减小;CO2和H2进入燃料电池,H2在负极放电生成H+,CO2则从负极排出;负极生成的H+经过交换膜进入正极,与正极氧气反应生成水。
7.将纯锌片和纯铜片按如图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是( )
A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
C.两烧杯中溶液的pH均增大
D.产生气泡的速率甲比乙慢
【答案】选C。
【解析】因乙烧杯中锌片和铜片没有接触,故不能构成原电池,B项错误;因甲烧杯中锌片、铜片用导线连接后构成原电池,加快了锌片的溶解,即加快了反应速率,铜片上有气泡产生,乙中没有构成原电池,铜棒上无气泡,A、D项错误;又因两烧杯中的锌片都能与稀硫酸反应产生H2而消耗H+,故两烧杯中溶液pH均增大。
8.(双选)(2011·深圳模拟)镁-H2O2酸性燃料电池采用海水作电解质(加入一定量的酸),下列结论不正确的是( )
A.电池总反应为:Mg+H2O2====Mg(OH)2
B.正极发生的电极反应为:H2O2+2H++2e-====2H2O
C.工作时,正极周围海水的pH增大
D.电池工作时,溶液中的H+向负极移动
【答案】选A、D。
【解析】由电解质溶液中加入酸,故不可能生成Mg(OH)2,A项不正确;原电池中负极发生氧化反应,H+应向正极移动,故D项不正确。
9.(2011·肇庆模拟)某原电池的电池反应为:Fe+2Fe3+====3Fe2+,与此电池反应不符的原电池是( )
A. 铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池
B. 石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池
C. 铁片、锌片、Fe2(SO4)3 溶液组成的原电池
D. 铜片、铁片、Fe(NO3)3 溶液组成的原电池
【答案】选C。
【解析】铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池中锌片为负极,铁片为正极,原电池反应为Zn+2Fe3+====2Fe2++Zn2+。
4.(2011·中山模拟)下列装置中发生的总反应为2Al+6H+====2Al3++3H2↑的是(铝条表面的氧化膜均已除去)( )
A. B. C. D.
【解析】选B。A为原电池,总反应为:2Al+2OH-+2H2O====2AlO2-+3H2↑;C为原电池,总反应为:Al+4H++NO3-====Al3++NO↑+2H2O;D项为电解池,总反应为:2H2O2H2↑+O2↑。
7.(2011·杭州模拟)2010年在上海举办的世博会主打环保牌,20辆氢燃料电池公交车,300辆氢燃料电池出租车投入运行,它们以氢气为能源,实现了真正的零污染。氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液,下列有关该电池的叙述不正确的是( )
A.正极反应式为:O2+2H2O+4e-====4OH-
B.工作一段时间后,电解液中KOH的物质的量浓度不变
C.该燃料电池的总反应方程式为:2H2+O2====2H2O
D.用该电池电解CuCl2溶液,产生2.24 L Cl2(标准状况)时,有0.2 mol电子转移
【解析】利用电子守恒法进行计算。
【解析】选B。由于燃料电池的总反应式就是燃烧时的化学方程式,所以该燃料电池的总反应式为:2H2+O2====2H2O;由于水的生成,导致电解液中KOH的物质的量浓度减小;在KOH做电解液时,正极:O2+2H2O+4e-====4OH-;根据电子转移相等知,当电解CuCl2溶液产生0.1 mol Cl2时,电池中转移电子0.2 mol,故选B项。
10.(2011·茂名模拟)镁-H2O2酸性燃料电池采用海水作电解质,下列结论错误的是
A.电池总反应为:Mg+H2O2=Mg(OH)2
B.正极发生的电极反应为:H2O2+2H++2e-=2H2O
C.工作时,正极周围海水的pH增大
D.电池工作时,溶液中的H+向正极移动
【答案】A
【解析】 A项忽视了题意“酸性燃料电池”,在酸性环境的溶液中不能生成Mg(OH)2,应该是:Mg+H2O2 +2H+ = Mg2+ +H2OA项错误;电池工作时负极发生反应:Mg-2e-=Mg2+,正极发生反应:H2O2+2H++2e-=2H2O。正极区pH增大,溶液中H+向正极迁移。
11.(2011·漳州检查)甲醇-空气燃料电池(DMFC)是一种高效能、轻污染的车载电池,其工作原理如下图。下列有关叙述正确的是
A.H+从正极区通过交换膜移向负极区
B.负极的电极反应式为:
CH3OH(l) + H2O(l)-6e-=CO2(g) + 6H+
C.d导出的是CO2
D.图中b、c分别是O2、甲醇
【答案】B
【解析】 由H+的迁移方向(从负极到正极),可知甲为负极,乙为正极,故b、c分别通入甲醛、O2;c、d分别导出CO2、H2O。
12.(2011·连云港测试) 下列有关电池的说法中正确的是(  )
A.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
B.铜锌原电池工作时,电子从铜电极沿外电路流向锌电极
C.氢氧燃料电池工作时,氢气在正极被氧化
D.锌锰干电池中,锌电极是负极
【答案】D 
【解析】 A项,太阳能的光电转换材料的主要成分是晶体硅;B项,电子流向从锌流向铜;C项,氢氧燃料电池中氢在负极发生氧化反应。
13.(2011·四平模拟)镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染,且镁原电池放电时电压高而平稳,使镁原电池越来越成为人们研制绿色原电池的关注焦点。其中一种镁原电池的反应为:xMg+Mo3S4MgxMo3S4,下列说法错误的是(  )
A.放电时,负极反应为Mg-2e-===Mg2+
B.放电时,Mo3S4发生氧化反应
C.放电过程中Mg2+向正极迁移
D.充电时,阳极反应为MgxMo3S4-2xe-===Mo3S4+xMg2+
【答案】B 【解析】 充电电池放电过程是原电池原理,充电过程是电解原理,故放电过程中镁发生氧化反应,Mo3S4发生还原反应。
14.(2011·西城一模)某原电池装置如右图所示。下列有关叙述中,正确的是
A.Fe作正极,发生氧化反应
B.负极反应: 2H+ + 2e-=H2↑
C.工作一段时间后,两烧杯中溶液pH均不变
D.工作一段时间后,NaCl溶液中c(Cl-)增大
【答案】D
15.(2011·温州模拟)高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池长时间保持稳定的
放电电压。高铁电池的总反应为
3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,下列叙述不正确的是( )
A.放电时负极反应为:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
B.充电时阳极反应为:Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO42-+4H2O
C.放电时每转移3mol电子,正极有1mol K2FeO4被还原
D.放电时正极附近溶液的碱性减弱
【答案】D
16.(2011·济南调研A) 锂钒氧化物电池的能量密度远远超过其它材料电池,其成本低,便于大量推广,且对环境无污染。电池总反应式为:V2O5+xLi==LixV2O5。下列说法中,不正确的是
A. 正极材料为锂,负极材料为V2O5
B. 向外供电时,锂离子在凝胶中向正极移动
C. 正极的电极反应式为:V2O5 + xLi++ xe—== LixV2O5
D.负极的电极反应式为:xLi—xe—==xLi+
【答案】A
17.(2011·三明联考)某固体酸燃料电池以CaHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构见下图,电池总反应可表示为:
2H2+O2=2H2O,下列有关说法错误的是
A.电子通过外电路从a极流向b极
B.b极上的电极反应式为:O2+4H++4e-=2H2O
C.H+由b极通过固体酸电解质传递到a极
D.每转移0.1 mol电子,标准状况下需消耗1.12 L的H2
【答案】C
二、非选择题
18.(2011·无锡模拟)根据氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu(s)====Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示,其中盐桥为琼脂-饱和KNO3盐桥。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是_________________________________;
电解质溶液Y是____________________________________;
(2)银电极为电池的_______极,写出两电极的电极反应式:
银电极:_________________________________________;
X电极:__________________________________________。
(3)外电路中的电子是从______电极流向______电极。
(4)盐桥中向CuSO4溶液中迁移的离子是______(填序号)。
A.K+ B.NO3- C.Ag+ D.SO42-
【解析】由反应方程式可知,该原电池的电极反应式为:
正极:2Ag++2e-====2Ag
负极:Cu-2e-====Cu2+[来源:21世纪教育网]
所以X极的材料应为Cu,电解质溶液Y应为AgNO3溶液,外电路中的电子从Cu极流向Ag极。
盐桥中的K+移向正极(Ag极);NO3-移向负极(Cu极)。
【答案】(1)Cu AgNO3溶液
(2)正 2Ag++2e-====2Ag Cu-2e-====Cu2+
(3)Cu Ag (4)B
19.(19分)(2011·济南模拟)某实验小组同学对电化学原理进行了一系列探究活动。
(1)如图为某实验小组依据氧化还原反应:(用离子方程式表示)________________________设计的原电池装置,反应前,电极质量相等,一段时间后,两电极质量相差12g,导线中通过________mol电子。
(2)其他条件不变,若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液,石墨电极反应式为________________________,这是由于NH4Cl溶液显________(填“酸性”、“碱性”或“中性”),用离子方程式表示溶液显此性的原因_________________,用吸管吸出铁片附近溶液少许置于试管中,向其中滴加少量新制饱和氯水,写出发生反应的离子方程式______________,然后滴加几滴硫氰化钾溶液,溶液变红,继续滴加过量新制饱和氯水,颜色褪去,同学们对此做了多种假设,某同学的假设是:“溶液中的+3价铁被氧化为更高的价态。”如果+3价铁被氧化为FeO42-,试写出该反应的离子方程式___________________ 。
(3)如图其他条件不变,若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型,如图所示,
一段时间后,在甲装置铜丝附近滴加酚酞试液,现象是__________________,电极反应为________________;乙装置中石墨(1)为________极(填“正”、“负”、“阴”或“阳”),乙装置中与铜线相连石墨电极上发生的反应式为_____________________________,产物常用______检验,反应的离子方程式为_______________。
【解析】(1)若一段时间后,两电极质量相差12 g,消耗负极0.1 mol Fe,同时正极生成0.1 mol Cu,导线中通过0.2 mol电子。
(2)其他条件不变,若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液,由于NH4+水解,NH4++H2O NH3·H2O+H+,所以NH4Cl溶液显酸性,石墨电极上H+得到电子,电极反应式为2H++ 2e-====H2↑;铁电极反应为Fe-2e-====Fe2+ ,用吸管吸出铁片附近溶液少许置于试管中,向其中滴加少量新制饱和氯水,写出发生反应的离子方程式2Fe2++Cl2====2Fe3++2Cl-,然后滴加几滴硫氰化钾溶液,由于存在Fe3+,所以溶液变红,继续滴加过量新制饱和氯水,颜色褪去,如果原因是+3价铁被氧化为FeO42-,则该反应的离子方程式为2Fe3++3Cl2+8H2O====2FeO42-+6Cl-+16H+。
(3)如图其他条件不变,若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型,则甲池为原电池,铁电极反应为Fe-2e-====Fe2+,铜电极反应为O2+2H2O+4e-====4OH-;乙池为电解池,石墨电极为阳极,电极反应为2Cl--2e-====Cl2↑,石墨(1)电极为阴极,电极反应为Cu2++2e-====Cu;所以一段时间后,在甲装置铜丝附近滴加酚酞试液,溶液变红,乙装置中石墨电极产物可以用湿润淀粉碘化钾试纸检验,反应的离子方程式为Cl2+2I-====2Cl-+I2 ,反应后试纸变蓝。
20.(2011·宁波模拟)甲醇-空气燃料电池(DMFC)是一种高效能、轻污染电动汽车的车载电池,该燃料电池的电池反应式为:CH3OH(l)+O2(g) == CO2(g)+2H2O(l)。其工作原理示意图如下:
甲 乙
请回答下列问题:
(1)写出甲图中b、c两个入口通入的物质名称(或化学式)b ▲ c ▲
(2)负极的电极反应式为 ▲ 。
(3)用该原电池电解AgNO3溶液,若Fe电极增重5.4g,则燃料电池在理论上消耗的氧气的体积为 ▲ mL(标准状况)
【答案】 (6分) ①b 甲醇水溶液 c 氧气 (2分)
② (2分)
③ 280 mL(2分)
21.(2011·苏州四市二调)(8分)燃煤废气中的氮氧化物(NOx)、二氧化碳等气体,常用下列方法处理,以实现节能减排、废物利用等。
(1)对燃煤废气进行脱硝处理时,常利用甲烷催化还原氮氧化物,如:
CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H =-574 kJ·mol-1
CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H =-1160 kJ·mol-1
则CH4(g)将NO2(g)还原为N2(g)等的热化学方程式为 ▲ 。
(2)将燃煤废气中的CO2转化为甲醚的反应原理为:
2CO2(g) + 6H2(g) CH3OCH3(g) + 3H2O(g)
已知一定压强下,该反应在不同温度、不同投料比时,CO2的转化率见下表:
投料比[n(H2) / n(CO2)] 500 K 600 K 700 K 800 K
1.5 45% 33% 20% 12%
2.0 60% 43% 28% 15%
3.0 83% 62% 37% 22%
①若温度升高,则反应的平衡常数K将 ▲ (填“增大”、“减小”或“不变”。下同);若温度不变,提高投料比[n(H2) / n(CO2)],则K将 ▲ 。
②若用甲醚作为燃料电池的原料,请写出在碱性介质中电池负极的电极反应式
▲ 。
③在②所确定的电池中,若通入甲醚(沸点为-24.9 ℃)的速率为1.12 L·min-1(标准状况),并以该电池作为电源电解2 mol·L-1 CuSO4溶液500 mL,则通电30 s后理论上在阴极可析出金属铜 ▲ g。
【答案】共8分。
(1)CH4(g) +2NO2(g)=N2(g) +CO2(g) +2H2O(g) △H=-867 kJ·mol-1(2分)
(2)①减小(1分) 不变(1分)
②CH3OCH3 -12e- +16OH-=2CO32- +11H2O(2分)
③9.6(2分)
氧化
还原
放电
充电

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