(共66张PPT)
第三节 无机非金属材料
第5章 化工生产中的重要非金属元素
【课程标准要求】
1.了解硅酸盐及其结构特点,了解传统硅酸盐产品的工业生产。
2.了解硅和二氧化硅的性质,认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。
3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用。
新知自主预习
课堂互动探究
课时训练
目
录
CONTENTS
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课堂小结·即时达标
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一、硅酸盐材料
1.无机非金属材料
从组成上看,许多无机非金属材料多含________、________等元素,具有____________、____________、____________等特点,以及特殊的________、________等性能。
硅
氧
耐高温
抗腐蚀
硬度高
光学
电学
2.硅酸盐及其结构
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧____________结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,每个Si结合________个O,每个O结合________个Si。
(2)硅酸盐材料的特性
硅酸盐材料大多具有硬度________、________溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
四面体
4
2
高
难
3.常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料:_____________,辅助原料:适量的石膏
设备 陶瓷窑
主要 成分 __________(Na2SiO3)、___________(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
黏土(含水的铝硅酸盐)
纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
石灰石、黏土
玻璃窑
水泥回转窑
硅酸盐
硅酸钠
硅酸钙
性能 硬度_____、耐高温、_____溶于水、化学性质__________、耐__________等特点 用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程
拓展 (1)陶瓷、玻璃、水泥等传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料,经过高温发生复杂的物理、化学变化制成,产品都为硅酸盐。(2)生产中采用不同的原料和工艺,也可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如,利用含有铅的原料可制得光学玻璃;加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃;加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃。
高
难
稳定
腐蚀
【微自测】
1.下列描述中正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物( )
(2)硅酸盐结构较为复杂,大多不溶于水,化学性质很稳定( )
(3)硅氧四面体结构决定了硅酸盐材料的硬度高、耐腐蚀等特点( )
(4)硅氧四面体中,硅原子与氧原子都是以共价键结合( )
(5)水泥与玻璃的共同原料是石灰石,水泥与陶瓷的共同原料是黏土( )
(6)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行( )
(7)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化( )
×
√
√
√
√
√
√
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅的存在与结构
存在 原子结构示意图 周期表中位置
含量 存在形态 地壳中居 第____位
二
氧化物和硅酸盐
第三周期ⅣA族
(2)高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为:
①___________________________________________,
②___________________________________________,
③___________________________________________。
2.新型陶瓷
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 硬度________、耐________、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
高温结构 陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐________、抗氧化、耐________ 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
碳化硅(SiC)
大
高温
高温
腐蚀
压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现________能和________能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明陶瓷;氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、________好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导 陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域
机械
电
绝缘性
3.碳纳米材料
概念 性能 用途
富勒烯 由________构成的一系列笼形分子的总称,如______ — 制碳纳米材料
碳纳 米管 由____________卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 比表面积大,有相当高的________和优良的________性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 ________________________厚度的单层石墨 电阻率________、热导率________,具有很高的强度 在光电器件、超级电容器、电池、复合材料等方面的应用研究在不断深入
碳原子
C60
石墨片层
强度
电学
只有一个碳原子直径
低
高
【微自测】
2.下列关于新型无机非金属材料的说法中,不正确的是( )
A.高纯硅可用于制造半导体材料
B.压电陶瓷属于新型无机非金属材料,能实现机械能和电能的相互转化
C.碳纳米材料的主要成分是碳单质,包含富勒烯、碳纳米管和石墨烯等多种
D.二氧化硅制成的光导纤维,由于导电能力强而被用于制造光缆
解析 光导纤维不具有导电性,二氧化硅制成的光导纤维是由于传输光的信号强而被用于制造光缆,D不正确。
D
硅及二氧化硅的化学性质
硅及二氧化硅的化学性质
素材1:
硅是一种灰黑色固体,熔、沸点高,硬度大,是一种优良的半导体材料,常温下,化学性质不活泼,但可以和F2、氢氟酸和强碱溶液发生反应,在加热条件下可以和很多非金属单质反应。
———————【活动探究】———————
素材2:
(1)SiO2是一种酸性氧化物,能与强碱溶液反应。例如,SiO2与NaOH溶液反应可生成Na2SiO3。Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃,具有黏结力强、耐高温等特性,可以用于黏合剂和防火剂。实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞,而不用玻璃塞。
(2)氢氟酸是HF的水溶液,可与SiO2发生反应生成SiF4气体和水,可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。
1.新型无机非金属材料的成分是硅酸盐吗?
提示:不一定是硅酸盐。新型无机非金属材料可能是某些元素的氧化物、氮化物、也可能是硅酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要成分的无机材料。
2.工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅,由此能否说明碳的还原性大于硅?
提示: 不能。比较氧化性、还原性的强弱,必须是在通常情况下发生的反应,上述反应是在高温条件下发生的,故不能比较还原性的强弱。
3.SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗?
提示:SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。
1.硅的化学性质
(1)常温下能与氟气、氢氟酸、强碱等反应。
Si+2F2===SiF4
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑
———————【核心归纳】———————
2.二氧化硅的化学性质
——硅酸盐氧化物形式的改写
1.下列有关硅的说法不正确的是( )
A.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B.硅的导电性介于金属和绝缘体之间,是良好的半导体材料
C.硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应
D.加热到一定程度时,硅能与氯气、氧气等非金属单质反应
解析 A项,晶体硅常用作制造太阳能电池的材料,实现太阳能转化成电能,正确;C项,硅的化学性质不活泼,但在常温下能与F2、HF等物质发生反应,错误;D项,在加热条件下,硅单质能与氯气、氧气等物质发生反应,正确。
———————【实践应用】———————
C
2.(2021·长春市十一中期末)下列关于二氧化硅的叙述中正确的是( )
A.硅原子和碳原子最外层电子数相同,二氧化硅和二氧化碳分子结构也相同
B.二氧化硅能与氢氧化钠溶液和氢氟酸反应,所以二氧化硅是两性氧化物
C.二氧化硅中硅元素为+4价,二氧化硅具有氧化性
D.在二氧化硅中,每个硅原子结合2个氧原子
C
解析 在二氧化硅中,每个硅原子与4个氧原子结合,每个氧原子与2个硅原子结合,形成具有立体网状结构的晶体,不存在单个的二氧化硅分子,二氧化硅晶体中硅原子和氧原子数目比是1∶2,二氧化碳分子是直线形分子,结构不同,故A错误、D错误;二氧化硅能与氢氟酸反应生成四氟化硅和水,没有生成盐,不属于碱性氧化物,与碱反应生成盐和水,属于酸性氧化物,不是两性氧化物,故B错误;在高温下,二氧化硅能与单质碳反应生成单质硅和一氧化碳,硅元素的化合价由+4价降低为0价,二氧化硅具有氧化性,故C正确。
核心体系建构
1.“5G”时代的到来,以光导纤维为基础的高速信息通道更加显得重要。下列物质中用于制造光导纤维的材料是( )
D
A.铜合金 B.陶瓷
C.硅 D.二氧化硅
C
2.下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是( )
A.水泥具有水硬性 B.玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英
C.玻璃有固定的熔沸点 D.陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品
解析 A.水泥具有水硬性,水泥遇水后,能在水中硬化并继续增长其强度的性质,跟水作用形成胶状物并成固体,水硬性最能代表水泥性质,故A正确;B.生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英,故B正确;C.玻璃是混合物,一般混合物都没有固定的熔沸点,故C错误;D.陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品,故D正确。
D
3.(2021·临川区校级模拟)化学与社会、科学、技术、环境密切相关。下列说法正确的是( )
A.水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙、分子筛都属于硅酸盐工业产品
B.通入过量的空气,可以使燃料充分燃烧,同时提高热量的利用率
C.将金属钛、铝混合后在空气中熔化可制得强度较大的钛合金材料
D.透明氧化铝陶瓷具有良好的光学性能且耐高温耐腐蚀,可用于制造高压钠灯发光管
解析 A项,水晶、玛瑙主要成分为二氧化硅,二者是氧化物,不是硅酸盐,错误;B项,使燃料充分燃烧可以增大氧气的浓度或增大氧气的接触面积,空气的通入量增多会带走热量,降低热效率,错误;C项,在空气中加热熔化,金属易与氧气发生反应,所以不能直接在空气中制备钛铝合金,错误;D项,氧化铝陶瓷硬度大,耐高温,具有良好的光学特性,可用于制造高压钠灯发光管,故D正确。
C
4.我国科学家合成的3 nm长的管状碳纳米管,长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的1/4)、熔点高,化学稳定性好的特点,因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是( )
A.它是制造飞机的理想材料
B.它的主要组成元素是碳元素
C.它的结构与石墨相似
D.碳纤维复合材料耐高温
解析 石墨的内部结构是层状的,碳纳米管是管状的。
5.硅是无机非金属材料的主角,硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)下列物质不属于硅酸盐产品的是________(填字母)。
A.陶瓷 B.玻璃
C.水泥 D.生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为___________________________________________________________,
工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。
答案 (1)D (2)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O 氢氟酸 (3)防火剂 D (4)C SiO2
解析 (1)生石灰是CaO,为碱性氧化物且不含Si,不属于硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸,因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”,具有阻燃的功能,因此可用作防火剂。SiO2和Na2CO3在高温下反应生成Na2SiO3和CO2,故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应,故不能用以上材质的坩埚熔融纯碱。(4)该反应中C被氧化,SiO2中+4价的硅被还原,因此SiO2作氧化剂。
一、选择题(每小题只有一个选项符合题意)
1.当航天飞机返回地球大气层时,由于与空气的剧烈摩擦,飞机尖端的温度可达1 000 ℃以上,为了防止高温将其烧毁,科学家给航天飞机的相应部位安装了可靠的保护层。制作保护层的材料是( )
C
A.塑料 B.玻璃
C.新型陶瓷 D.镁铝合金
解析 制作保护层的材料应该具有硬度很大、具有优异的高温抗氧化性能,只有C项符合要求。
2.世界瓷都—泉州德化盛产陶瓷,下列说法不正确的是( )
D
A.国产C919用到的氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料
B.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐
C.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
D.瓷器的青色来自氧化铁(Fe2O3)
解析 氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机非金属陶瓷,A正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,是应用较早的人造材料之一,B正确;陶瓷由黏土经高温烧结而成,它具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,C正确;氧化铁呈红棕色,掺入氧化铁的陶瓷不可能呈青色,D不正确。
3.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是( )
B
A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷
B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅
C.陶瓷的主要原料是黏土
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
解析 普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
4.下列说法正确的是( )
B
A.因为晶体硅有熔点高硬度大的性质,所以被用来做芯片
B.中国天眼FAST用到的碳化硅是一种新型的无机非金属材料
C.合金熔点、硬度都低于成分金属,钢是用量最大用途最广的合金
D.工业生产玻璃、水泥都需要用到的原材料是石英砂
解析 A.晶体硅是重要的半导体材料,所以被用来做芯片,不是因为其有熔点高硬度大的性质,故A错误;C.合金熔点一般低于成分金属,但硬度大于成分金属,故C错误;D.玻璃的原料为石英、纯碱和石灰石,水泥的原料是黏土和石灰石,所以都用到石灰石,故D错误。
5.硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列叙述中正确的是( )
A
A.汽车中小摆件“苹果花”的动力是以Si为原料制作的太阳能电池
B.晶体硅主要用途是制造光导纤维
C.硅是地壳中含量最多的元素
D.硅的化学性质很稳定,因此硅在自然界中以游离态形式存在
解析 晶体硅是良好的半导体材料,主要用途是制作太阳能电池、集成电路,A正确,B错误;氧是地壳中含量最多的元素,C错误;硅是亲氧元素,在自然界中只以化合态形式存在,D错误。
6.下列试剂中,能用带玻璃塞的试剂瓶贮存的是( )
C
A.氢氟酸 B.氢氧化钠溶液
C.盐酸 D.水玻璃
解析 氢氟酸应该保存在塑料瓶中;保存氢氧化钠溶液用橡胶塞或软木塞;水玻璃具有黏性,能使玻璃瓶与瓶塞牢固地黏在一起,也应该用橡胶塞或软木塞。
7.硅是构成无机非金属材料的一种主要元素,下列有关硅的化合物的叙述错误的是( )
D
A.氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料,其化学式为Si3N4
B.碳化硅(SiC)的硬度大,熔点高,可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C.光导纤维是一种新型无机非金属材料,其主要成分为SiO2
D.硅酸盐中硅、氧原子之间以离子键结合
解析 硅酸盐中硅、氧原子之间以共价键结合。
8.宇航员在升空、返回或遇到紧急情况时,必须穿上10公斤重的航天服,我国宇航员的航天服是由我国科学家研制的新型“连续纤维增韧”航空材料做成的,主要由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述错误的是( )
B
A.它耐高温、抗氧化
B.它比钢铁轻,但质地较脆
C.它没有固定熔点
D.它是一种新型无机非金属材料
解析 由题目信息中“连续纤维增韧”可知,该航天服的韧性很好,质地并不是很脆,B错误。
9.碳纳米管是继足球烯(C60)以后发现的又一种碳单质,以下有关碳纳米管与足球烯(C60)的说法错误的是( )
D
A.它们的物理性质有较大差异 B.在常温下它们的化学性质都稳定
C.它们是不同的碳单质 D.它们分别完全燃烧后生成物不同
解析 碳纳米管和足球烯中碳原子排列方式不同,物理性质不同;它们都是碳单质,都是纯净物,在通常情况下化学性质比较稳定;二者完全燃烧时都生成二氧化碳。
10.(2021·铜梁一中高一月考)下列有关硅及其化合物性质和用途的说法正确的是( )
A
A.单晶硅是电子工业中重要的半导体材料,也能用于制作太阳能电池
B.二氧化硅制成的玻璃纤维,因导电能力强而用于制造通讯光缆
C.因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应生成二氧化碳,故硅酸的酸性比碳酸强
D.氢氧化钠溶液和氢氟酸因腐蚀玻璃故都用塑料瓶盛装
解析 A.硅的导电性介于导体和非导体之间,硅在电子工业中,是重要的半导体材料,可用于制造太阳能电池,A正确;B.二氧化硅不导电,其用于制造通讯光缆是因为对光有很好的反射性,B错误;C.非金属性C>Si,碳酸的酸性比硅酸强,碳酸钠与二氧化硅在高温下能反应是因为产生的CO2气体不断逸出,与酸性强弱无关,C错误;D.玻璃瓶内壁光滑,分子排列致密,也就不容易与NaOH溶液反应,NaOH溶液不需要用塑料瓶盛装,D错误;综上所述答案为A。
11.下列说法错误的是( )
C
A.将少量SO2通入Na2SiO3溶液,产生胶状沉淀,说明酸性:H2SO3>H2SiO3
B.如图所示实验可证明酸性:HCl>H2CO3>H2SiO3
C.向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸:Na2SiO3+2H+===H2SiO3↓+2Na+
D.SO2、SiO2、CO2均为酸性氧化物
12.(2021·邵东创新实验学校高一月考)下列叙述正确的是( )
C
解析 A.硅是良好的半导体材料,可以制成光电池,将光能直接转化成电能,故A错误;B.酸的酸性强弱是指酸在溶液中电离出氢离子难易,而碳酸钙与二氧化硅的反应是因为高温时硅酸钙很稳定,二氧化碳从反应体系中逸出才得以发生,故B错误;C.CO2和SiO2都能与碳反应,化合价都降低,都作氧化剂,故C正确;D.SiO2既能和NaOH反应,又能和氢氟酸反应,但SiO2不属于两性氧化物,属于酸性氧化物,故D错误。
二、非选择题
13.硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题:
(2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。
A.碳化硅化学性质稳定,可用于生产耐高温水泥
B.氮化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温陶瓷和轴承
C.高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光导纤维
D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的,其熔点很高
E.盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
解析 (1)①根据给定的反应物和生成物写出化学方程式,注意反应条件和配平。②写出反应物和给出的生成物H2SiO3和HCl,用原子守恒法找出另一种生成物为H2,并配平。
(2)A项中水泥是硅酸盐材料;B、C项根据硅的化合物的用途可知,两项说法都正确;D项中玻璃是混合物,没有固定的熔点;E项中盐酸和硅不反应。
14.晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:
(3)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去):
①装置B中的试剂是________,装置C中的烧杯需要加热,目的是___________________________________________________________。
②反应一段时间后,装置D中观察到的现象是___________________
___________________________________________________________,
装置D不能采用普通玻璃管的原因是___________________________
___________________________________________________________,
装置D中发生反应的化学方程式是_______________________________
___________________________________________________________。
③为保证制备纯硅实验的成功,操作的关键是检查实验装置的气密性,控制好反应温度以及______________________________________________
___________________________________________________________。
解析 (3)①因SiHCl3能与水剧烈反应,故装置A中产生的H2必须干燥,因此装置B中的试剂为浓H2SO4,且装置C中的烧杯需加热,其目的是使SiHCl3汽化,加快其与H2的反应速率。②石英管中产生的物质应为硅,故装置D中有固体产生;由题给信息可知,制纯硅的反应条件为1 100 ℃,此温度下普通玻璃管容易软化。③因高温下H2与O2反应容易爆炸,故还应排尽装置中的空气。
15.(2021·湖南益阳市箴言中学高一月考)如图是地壳中含量较大的九种元素分布图,图中X、Y、Z分别表示不同元素。
回答下列问题:
(1)X的名称为________。
(2)Y的氧化物属于________氧化物。(填“酸性”、“两性”或“碱性”)。
(3)常用ZCl3溶液作为刻制印刷电路时的“腐蚀液”,该反应的离子方程式为___________________________________________________________,
区别ZCl3溶液和Z(OH)3胶体的方法是________。
(4)由粗硅制备硅烷(SiH4)的基本流
程如图所示(反应条件均省略):
已知:反应Ⅰ、Ⅱ的化学方程式
分别为Si+3HCl===SiHCl3+A,SiHCl3+B===Si+3HCl(均已配平)。
①A的化学式为________。
②反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中,有________个属于氧化还原反应。
③反应Ⅳ中生成的SiH4和NH3两种气体的物质的量之比为________。
答案 (1)氧 (2)两性 (3)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+ 丁达尔效应
(4)①H2 ②3 ③1∶4
解析 X含量最高,X是O。Y和Z含量处于第三和第四位,则Y是Al,Z是Fe,(1)X是O,名称为氧;(2)Y是Al,氧化物是氧化铝,属于两性氧化物;(3)常用FeCl3溶液作为刻制印刷电路时的“腐蚀液”,反应中铁离子是氧化剂,铜是还原剂,该反应的离子方程式为2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+;胶体可以产生丁达尔效应,区别FeCl3溶液和Fe(OH)3胶体的方法是丁达尔效应;(4)①反应Ⅰ的化学方程式为Si+3HCl===SiHCl3+A,根据原子守恒可知A中含有2个氢原子,化学式为H2;②反应Ⅱ的化学方程式为SiHCl3+B===Si+3HCl,由质量守恒可知B为H2,反应中涉及单质的反应,存在元素化合价的变化,则Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为氧化还原反应,即有3个属于氧化还原反应;③反应Ⅳ涉及反应为Mg2Si+4NH4Cl===SiH4↑+4NH3↑+2MgCl2,则反应Ⅳ中SiH4、NH3两种气体的物质的量之比为1∶4。
Thanks!
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