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1 PRE - UNIVERSITARIO 2021 - 2 11 ESTADO GASESOSO 2 GAS IDEAL3 GAS REAL GAS IDEAL Movimiento molecular con trayectoria compleja y de interacción que se debe considerar(sobre todo cuando esta muy comprimido). Movimiento molecular rectilíneo y molécula puntual, sin considerar su interacción. (cada molécula es independiente, uno del otro) Se considera todo tipo de choque molecular inelástico. Sólo se considera choques de tipo elástico. Se considera la dimensión molecular (co-volumen) El volumen ocupado por el gas es el volumen del recipiente. Su modelo matemático es más complejo, Ecuación de Van Der Walls : Donde a y b son constantes de Van Der Walls para cada gas. Su modelo matemático es sencillo: 𝑷 .𝑽 = 𝑹. 𝑻 . 𝒏(𝑃 + 𝑎𝑛 2 𝑉2 )(𝑣 − 𝑛𝑏) = 𝑛𝑅𝑇 3 TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR DE LOS GASES IDEALES • Los gases están constituidos por partículas de masas puntuales, en constante y caótico movimiento en línea recta. • Las moléculas de los gases se encuentran a grandes distancias relativas entre ellas. • Las colisiones son rápidas y elásticas. • No hay fuerzas de atracción (intermoleculares) ni fuerzas de repulsión. • La energía total permanece constante. • La energía cinética promedio es proporcional a la temperatura absoluta. Pideal > Preal 4 “El gas real tiende a comportarse como gas ideal (línea roja) a bajas presiones y altas temperaturas” 5 Respecto a la teoría cinética molecular de los gases, indique las proposiciones que son incorrectas. I. Las moléculas de un gas son consideradas puntuales. II. Las moléculas se mueven en línea recta. III. La energía cinética de las moléculas depende del volumen que ocupa el gas. A) Solo II B) Solo I C) Solo III D) II y III E) I y II PROBLEMA 1 Rpta. C 6 Sobre la teórica cinético molecular de los gases ideales. Complete adecuadamente los siguientes enunciados. I. Las moléculas son …………………. es decir, son de forma esférica y de volumen despreciable, pero tienen masa. II. Los choques intermoleculares o contra las paredes del recipiente son perfectamente …………………… III. La energía cinética media de las moléculas solo depende de la …………………… A) pesadas – inelásticos – temperatura B) puntuales – elásticos – masa de la molécula C) pesadas – inelásticos – volumen D) puntuales – elásticos – temperatura E) ideales – elásticos – masa de la molécula PROBLEMA 2 Rpta. D 7 Sobre la teórica cinético molecular de los gases ideales. Seleccione la alternativa incorrecta. A) Las fuerzas intermoleculares son nulas. B) Los choques entre las moléculas de un gas y contra las paredes del recipiente que lo contiene son perfectamente elásticos. C) La velocidad promedio de las moléculas gaseosas no dependen de la temperatura absoluta. D) Las moléculas de un gas se comportan como masas puntuales, esto es que poseen masa pero su volumen es despreciable E) El movimiento de las moléculas gaseosas es aleatorio. PROBLEMA 3 Rpta. C 8 LEYES EMPÍRICAS DE LOS GASES IDEALES Las leyes empíricas son aquellas que se originan directamente de la experimentación. Las leyes empíricas que estudiaremos son: A) La Ley de Boyle y Mariotte : Proceso isotérmico B) La ley de Charles : Proceso isobárico C) La ley de Gay-Lussac : Proceso isocórico “Los llamados gases ideales o perfectos cumplen totalmente estas leyes” 4 9 Ley de Boyle y Mariotte (1662) El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta (al mantener constantes la temperatura y la masa del gas). V 1/P (m y T son constantes) V = k/P R. Boyle (1627- 1691)- Irlanda E. Mariotte(1630-1684)- Francia 10 AL COMPARAR VARIAS ISOTERMAS: 11 Ley de Charles (1787) El volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (al mantener constantes la presión y la masa del gas). V T (m y P son constantes) V = kT V1 T1 V2 T2 = 12 Ley de Gay-Lussac (1802) La presión absoluta de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (al mantener constantes el volumen y la masa del gas). P T (m y V son constantes) P = k.T 13 Indique cual de las siguientes proposiciones son correctas: I. Según la ley de Boyle, la presión absoluta del gas es inversamente proporcional al volumen. II. La expresión de la ley de Charles es P.V = k III. Según la ley de Gay-Lussac, el volumen es proporcional a la temperatura absoluta (k = constante) A) I y II B) Solo I C) I y III D) Solo II E) Solo III PROBLEMA 4 Rpta. B 14 La relación entre los parámetros de estado en los gases se pueden comprender mejor utilizando gráficos. Con respecto al siguiente gráfico seleccione la secuencia correcta de verdadero (V) o falso (F) I. Representa la Ley de Boyle o Ley de las Isotermas. II. Muestra que la presión es inversamente proporcional al volumen del gas. III. La curva es denominada “isoterma” y representa la temperatura constante. A) FFV B) FVF C) VFV D) FVV E) VVV PROBLEMA 5 Rpta. E 15 Un balón que contiene metano, CH4, a 30 oC, esta a una presión de 0,4 atm. Calcule la presión (atmósferas) que tendrá si la temperatura aumenta hasta 200oC, permaneciendo su volumen constante. A)0,26 B) 0,29 C) 0,31 D) 0,38 E) 0,62 PROBLEMA 6 Rpta. E 16 Ecuación general de los gases ideales ECUACIÓN COMBINADA DE LOS GASES IDEALES P1 V1 P2 V2 T1 T2 = =…... = Pi Vi Ti = Cte. 5 17 Un globo meteorológico se infla a un volumen de 132 L en un día en que la temperatura es de 24 °C y la presión es de 1 atm. Si no hay escape de gases, determine cuál será el volumen del globo meteorológico, en litros, si asciende a una altitud donde la presión es 0,5 atm y la temperatura es de – 3 °C. A) 120 B) 60 C) 240 D) 160 E) 320 PROBLEMA 7 Rpta. C 18 PROBLEMA 8 Rpta. D El gas metano es el principal componente del gas natural. Cierta masa de gas metano que ocupa 35 L a 77 °C y 10 atm de presión se traslada a otro recipiente, en donde la temperatura se incrementa en 50 K y la presión disminuye en 6 atm. Al respecto, determine como varía el volumen. A) Disminuye en 65 L B) Aumenta en 35 L C) Disminuye en 35 L D) Aumenta en 65 L E) Aumenta en 56 L 19 El gas neón, es inerte, utilizados en cierto tipo de luminarias. Previo al uso se mantiene almacenado en un recipiente rígido a 30oC y 2 atm. Si la temperatura disminuye en 5%, entonces. ¿Cómo varia la presión absoluta del gas neón? A) Aumenta en 5,26% B) Disminuye en 95% C) Aumenta en 95% D) Disminuye en 5% E) Aumenta en 59% PROBLEMA 9 Rpta. D 20 6 Ecuación de estado o universal de los gases ideales Para cierta masa de gas y a determinadas condiciones de presión, temperatura y volumen, se cumplirá : V T P GAS P V = n R T Donde: ▪ P= presión absoluta que ejerce el gas. ▪ V= volumen ocupado por el gas. ▪ T= temperatura absoluta (K). ▪ n= número de moles del gas (n=m/ ഥ𝑀 ) ▪ R= constante universal del gas. Valores de R 0,082 atm L/ mol K 62,4 mmHg L /mol K 21 Cálculos que se pueden hacer con la ecuación universal: PV = nRT = 𝒎𝑹𝑻 ഥ𝑴 ▪ Masa molar del gas: ഥ𝑀 = mRT / PV ▪ Volumen molar : Vmolar = V/n = RT/P ▪ Densidad del gas: ρ = m/V = P ഥ𝑀/ RT Vmolar = RT / P ρgas = P ഥ𝑀 / RT Es el volumen que ocupa 1 mol de moléculas de cualquier gas a ciertas condiciones de P y T ▪ Masa del gas: 𝑚 = 𝑃𝑉 ഥ𝑀 𝑅𝑇 22 Es el volumen que ocupa una mol de cualquier gas a ciertas condiciones de Presión y Temperatura. Volumen molar (Vm) Como la expresión de volumen molar no depende de la masa molar, entonces se cumplirá para cualquier gas En general : 1mol moléculas 6,022 x 1023 moléculas 22, 4 L CN 23 Presión = 1 atm y temperatura = 0°C Volumen molar (Vm) Es el volumen de un mol de gas y en C. N. se llama volumen molar normal. 𝑃 𝑉 = 𝑅 𝑇 𝑛 𝑉𝑚 = 𝑅 𝑇 𝑃 = (0,082)(273) 1 = 22,4 L/mol n = 1 mol Número de moles de moléculas (n) 𝑛 = 𝑚 ഥ𝑀 = #𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑁𝐴 = 𝑉 𝑉𝑚 = 𝑃 𝑉 𝑅 𝑇 𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑔 ഥ𝑀 = masa molar (g/mol) 𝑁𝐴 = número de moléculas(moléculas/mol) 𝑉 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝐿 𝑉𝑚 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝐿/𝑚𝑜𝑙) Un mol de gas en CN ocupa 22,4 litros. Condiciones normales (CN) 24 24 Se desea conocer la identidad de una sustancia gaseosa proveniente de la chimenea de una planta industrial donde se desarrollan procesos de combustión, para lo cual se confina 23 g de dicho gas en un recipiente rígido de 8,2 litros a 127 °C y a una presión de 2 atm. Determine la identidad del gas analizado. Dato: R = 0,082 atm.L/mol.K A) CH4 ( ഥ𝑀 = 16 g/mol) B) CO2 ( ഥ𝑀 = 44 g/mol) C) H2O ( ഥ𝑀 = 18 g/mol) D) C2H5OH ( ഥ𝑀 = 46 g/mol) E) NH3 ( ഥ𝑀 = 17 g/mol) PROBLEMA 10 Rpta. D 25 Se tiene masas iguales de los siguientes gases, cada uno a las mismas condiciones de presión y temperatura. ¿Cuál de ellos ocupa mayor volumen? Dato : ҧ𝐴𝑟 : (H = 1 ; C = 12 ; O = 16 ; S = 32 ; Cl = 35,5) R = 62,4 mmHg.L/mol.K A) Monóxido de carbono B) Dióxido de azufre C) Sulfuro de hidrógeno D) Dióxido de carbono E) Trióxido de azufre PROBLEMA 11 Rpta. A 26 El fosgeno (COCl2) es un gas venenoso, fue el agente químico ampliamente usado que produjo el mayor número de muertes en la primera guerra mundial. En una estufa se encuentra una ampolla de vidrio conteniendo gas fosgeno a 0,41 atm y 57oC. ¿Cuál es la densidad en g/L del gas en las condiciones especificadas? ഥ𝑀fosgeno = 99 𝑅 = 0,082 𝑎𝑡𝑚.𝐿 𝑚𝑜𝑙.𝐾 A) 2,50 B) 5,0 C) 1,5 D) 3,5 E) 0,5 PROBLEMA 12 Rpta. C 27 LEY DE AVOGADRO A ciertas condiciones de presión y temperatura constante, se cumplirá que el volumen ocupado por un gas tiene relación directa con la cantidad de materia , expresado como número de moles de moléculas. V n V = k.n EJEMPLO Amadeo Avogadro (1776- 1856)- Italia 7 28 Corolarios de la ley de Avogadro: Para dos o más gases diferentes que se encuentran a las mismas condiciones de P y T (condiciones de Avogadro), se cumplirá : Gas 1 Gas 2 P T V1 n1 V2 n2 𝑉1 𝑛1 = 𝑉2 𝑛2 Vmolar(1) = Vmolar(2) ρ 1 ρ 2 = ഥ𝑀 1 ഥ𝑀 2 29 Si 7,0 gramos de gas nitrógeno a 273 K y 1 atmósfera ocupan el mismo volumen que un determinado número de moléculas del propano, C3H8, a la misma temperatura y presión, ¿Cuál será el número de moléculas de propano? ҧ𝐴𝑟: N = 14, C = 12 A) 0,12 NA B) 0,25 NA C) 1,50 NA D) 0,75 NA E) 1,00 NA PROBLEMA 13 Rpta. B 30 MEZCLA DE GASES • Es la reunión física de dos o más gases, donde cada componente conserva su identidad. • Los gases forman mezclas homogéneas. • Las leyes de los gases se pueden aplicar a mezclas de gases. 8 31 “La presión total(Pt) de una mezcla gaseosa es igual a la suma de las presiones parciales de los gases componentes”. Presión parcial.- Es la presión que ejerce un componente gaseoso cualesquiera, de una mezcla confinada en un recipiente de volumen V, como si dicho componente estuviera solo en dicho recipiente, a la misma temperatura T de la mezcla. LEY DE DALTON (DE LAS PRESIONES PARCIALES) 𝑃𝑖 = 𝑃 t 𝑃𝑡 = 𝑃1+ 𝑃2+ 𝑃3+ …+ 𝑃𝑖 = 𝑃𝑖 John Dalton (1776-1844)- Inglaterra 32 LEY DE DALTON (DE LAS PRESIONES PARCIALES) Para una mezcla de 2 gases “1” y “2”: Vtot = V1 = V2 = V Ttot = T1 = T2 = T Donde: 33 LEY DE AMAGAT-LEDUC (DE LOS VOLÚMENES PARCIALES) “El volumen total de una mezcla gaseosa es igual a la suma de los volúmenes parciales de los gases componentes”. Volumen parcial.- Es el volumen que ocuparía un componente gaseoso de una mezcla, como si estuviera solo en dicho recipiente, a la misma temperatura T y presión P de la mezcla. 𝑉𝑖 = 𝑉 t 𝑉𝑡 = 𝑉1+ 𝑉2+ 𝑉3+ …+ 𝑉𝑖 = 𝑉𝑖 Emile Amagat (1841-1915)- Francia 34 LEY DE LOS VOLÚMENES PARCIALES Pt = P1 = P2 = P T1 = T2 = T Vt = V1 + V2 = 4L Condiciones: Para una mezcla de 2 gases “1” y “2”: 35 FRACCIÓN MOLAR ( xi ) Es una propiedad intensiva que determina cuántas mol de cada componente hay en cada mol de mezcla gaseosa. Para una mezcla aseosa de “i ” componentes, se cumple: 𝑥𝑖 = 𝑛𝑖 σ𝑛𝑖 = 𝑛𝑖 𝑛𝑡 Para una mezcla de 2 gases “a” y “b”: 𝑥𝑎 + 𝑥𝑏 = 1 𝑥𝑖 = 1 𝑛𝑖 = 𝑛1 + 𝑛2 + 𝑛3+⋯+ 𝑛𝑖 = 𝑛𝑡 𝑥𝑎 = 𝑛𝑎 𝑛𝑇 𝑥𝑏 = 𝑛𝑏 𝑛𝑇 36 Presiones parciales: Pa = naRT/V Pa = Xa Pt Presión total: Pb = nbRT/V Pt = ntRT/V Para el gas “a”: na Para una mezcla de 2 gases “a” y “b”: = Xa PtV/RT = nt PaV/RT = Pa Pt Pb = Xb Pt FRACCIÓN DE PRESIÓN (Xpi ) 𝑥𝑃𝑖 = 𝑃𝑖 𝑃𝑇 37 Volúmenes parciales: Va = naRT/P Va = Xa Vt Volumen total: Vb = nbRT/P Vt = ntRT/P Para el gas “a”: na Para una mezcla de 2 gases “a” y “b”: = Xa VtP/RT = nt VaP/RT = Va Vt Vb = Xb Vt FRACCIÓN DE VOLUMEN (Xvi ) 𝑋𝑉𝑖 = 𝑉 𝑖 𝑉𝑡 38 38 De todo lo anterior se tiene que: Para un componente (i) 𝑋(𝑖) = 𝑛𝑖 𝑛𝑇 = 𝑃𝑖 𝑃𝑇 = 𝑉𝑖 𝑉𝑇 Por 100% 𝑋(𝑖). 100% = 𝑛𝑖 𝑛𝑇 . 100% = 𝑃𝑖 𝑃𝑇 . 100% = 𝑉𝑖 𝑉𝑇 . 100% Finalmente: 𝑋(𝑖). 100% = %𝑛𝑖 = %𝑃𝑖 = %𝑉𝑖 39 MASA MOLAR APARENTE DE LA MEZCLA GASEOSA ( ഥ𝑀𝑎𝑝) En muchos procesos de ingeniería, las mezclas gaseosas no cambian de composición, por lo que son tratadas como una “sustancia” a la cual se le asocia una “masa molar” aparente. Para una mezcla de “i” componentes: ഥ𝑴ap = X1 ഥ𝑴1 + X2 ഥ𝑴2 + …+ Xi ഥ𝑴i = σ Xi ഥ𝑴i 40 40 El “trimix”, una mezcla gaseosa formada por oxígeno, nitrógeno y helio, se emplea en el buceo técnico a grandes profundidades. Un buzo lleva consigo un balón que contiene una mezcla formada por 140 g de helio, 160 g de oxígeno y 280 g de nitrógeno que ejerce una presión de 10 atm. Al respecto, determine la presión parcial del oxígeno y la presión parcial del nitrógeno, en atm, respectivamente. ҧ𝐴𝑟 : He = 4 , O = 16; N = 14 A) 1 y 7 B) 2 y 6 C) 1 y 2 D) 1 y 6 E) 2 y 3 PROBLEMA 14 Rpta. C 41 41 La figura muestra dos balones conectados por un tubo de volumen despreciable. El recipiente A se halla a 304 mmHg. Al abrir la válvula de conexión a temperatura constante. ¿Cuál será la presión final del sistema, en atm? A) 0,16 B) 0,32 C) 0,48 D) 0,64 E) 1,20 PROBLEMA 15 Rpta. A 42 Se tiene una mezcla formada por lo gases helio y neón, cuyas fracciones molares son proporcionales a 2 y 3, respectivamente. Calcule el volumen parcial, en litros, del gas más liviano si el volumen total de la mezcla es 9 L ҧ𝐴𝑟 : He = 4 , Ne = 20 A) 5,4 B) 3,6 C) 6,3 D) 4,5 E) 2,6 PROBLEMA 16 Rpta. B 43 Una mezcla gaseosa contiene 70% en volumen de H2 y 30% en volumen de He, respectivamente. Calcule la masa molar de la mezcla. ҧ𝐴𝑟: H = 1; He = 4 R = 0,082 atm.L/mol.K A)2,1 B) 2,6 C) 3,1 D) 3,8 E) 5,0 PROBLEMA 17 Rpta. B 44 DIFUSIÓN Y EFUSIÓN GASEOSA8 DIFUSIÓN La difusión es la capacidad que tienen dos o más gases de mezclarse espontáneamente hasta que forman un todo uniforme, quiere decir una mezcla homogénea. https://www.youtube.com/watch?v=9BBVAscWWN8 https://www.youtube.com/watch?v=9BBVAscWWN8 45 EFUSIÓN La efusión en un proceso relacionado pero no igual. La efusión es un proceso por el cual las moléculas de un gas pasan a través de un orificio muy pequeño desde un recipiente de mayor presión hacia un recipiente de menor presión. https://www.youtube.com/watch?v=nqaNyvLKYdo https://www.youtube.com/watch?v=nqaNyvLKYdo 46 LEY DE GRAHAM Thomas Graham (1805-1869)- Escocia A igualdad de presión y temperatura (condiciones de Avogadro) “ Las velocidades de escape (difusión o efusión) de dos sistemas gaseosos varían inversamente proporcional a la raíz cuadrada de sus correspondientes masas moleculares”. Donde: Vi = rapidez (velocidad) de difusión o efusión [volumen (V) / tiempo (t) ] ഥ𝑀𝑖= masa molar ρ = densidad VA VB = ഥ𝑴𝑩 ഥ𝑴𝑨 = ρ 𝑩 ρ𝑨 47 A partir de la teoría cinética molecular se deduce que la velocidad media de una molécula gaseosa, en la difusión y efusión, es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molar. Al respecto, indique la alternativa que contiene al gas que presentará mayor velocidadde difusión a las mismas condiciones de presión y temperatura. ҧ𝐴𝑟 : C = 12 , O = 16, N = 14, H = 1, S = 32 A) SO2 B) O2 C) CH4 D) N2 E) NH3 PROBLEMA 18 Rpta. C 48 En un tubo de difusión, el metano (CH4) se desplaza X cm en 45 minutos a ciertas condiciones de presión y temperatura, si en el mismo tubo el SO2(g) se desplaza 𝑋 4 cm, a las mismas condiciones, calcule el tiempo (en minutos) que demora la difusión del SO2(g). ҧ𝐴𝑟 : C = 12 , O = 16 , H = 1, S = 32 A) 22,5 B) 36,5 C) 41,4 D) 51,4 E) 61,4 PROBLEMA 19 Rpta. A 49 Un tubo de vidrio de 200 cm de longitud tiene orificio de entrada en sus dos extremos. Si se hacen ingresar simultáneamente HCl(g) por un lado y NH3(g) por el otro. ¿A que distancia de la entrada de HCl, aproximadamente, aparecerá el anillo blanco de NH4Cl(s) (cloruro de amonio)?. ҧ𝐴𝑟 : Cl = 35,5 ; H = 1 A) 71 cm B) 61 cm C) 81 cm D) 91 cm E) 51 cm PROBLEMA 20 Rpta. C 50 9 ESTEQUIOMETRÍA CON GASES RELACION MOL-MOL REACTIVO LIMITANTE % RENDIMIENTO LEYES EMPIRICAS ECUACIÓN DE ESTADO CONDICIONES NORMALES LEY DE AVOGRADO + 51 51 En la producción del cemento se emplea la piedra caliza cuyo componente principal es el carbonato de calcio (CaCO3). Uno de los procesos es la calcinación de dicha sal, cuya reacción es: Determine el volumen, en L, de CO2, producido a 47 °C y 0,48 atm, cuando se descomponen 15 g de CaCO3. Dato: Masa molar (CaCO3) = 100 g/mol A) 8,2 B) 1,64 C) 4,1 D) 16,4 E) 2,8 CaCO3(s) ՜ ∆ CaO(s) + CO2(g) PROBLEMA 21 Rpta. A 52 Rpta. B La azida de sodio, NaN3, se utiliza en bolsas de aire en algunos automóviles. El impacto de choque desencadena la descomposición de NaN3 de la siguiente manera. NaN3 s ՜ Na(s) + N2(g) El gas nitrógeno producido infla rápidamente la bolsa que se encuentra en el conductor y el parabrisas. Calcule el volumen de N2 (en L) producido a 27oC y 780 mmHg a partir de la descomposición de 86,7 g de azida de sodio. Masa molar (g/mol): Na = 23, N = 14 A) 38 B) 48 C) 58 D) 68 E) 28 PROBLEMA 22 53 53 Para un proceso industrial se necesita obtener gas hidrógeno, para lo cual se hacen reaccionar 108 g de aluminio con suficiente cantidad de ácido clorhídrico. Determine el volumen, en L, de gas hidrógeno producido a 227 °C y 3 atm. La ecuación química que describe dicha reacción es: 2 Aℓ(s) + 6 HCℓ(ac) → 2 AℓCℓ3 (ac) + 3 H2 (g) PROBLEMA 23 Masa molar (g/mol): Aℓ = 27, H2 = 2 R = 0,082 𝑎𝑡𝑚.𝐿 𝑚𝑜𝑙 .𝐾 A) 4,10 x 101 B) 2,05 x 102 C) 8,20 x 101 D) 8,20 x 102 E) 2,80 x 103 Rpta. C 54 BIBLIOGRAFÍA: ▪ Silberberg, M. S. (2008) Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change; McGraw Hill: New York. ▪ Brown, T. E.; LeMay, H. E.; Bursten, B. E.; Murphy, C.; Woodward, P. W. (2009) Chemistry: The Central Science; Pearson: New York. ▪ Chang, Raymond (2007) Química. (9a. Ed.). México D.F.: Mc Graw-Hill. ▪ Petrucci, Ralph H. (2003) Química General. (8a. Ed.) Madrid: Pearson Education.
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