(共66张PPT)
复习任务群一
现代文阅读Ⅰ
把握共性之“新” 打通应考之“脉”
能力课时4 化学平衡图像分析
专题2 化学反应速率与化学平衡
第三单元 化学平衡的移动
探究 任务 化学平衡图像的分析方法。
探究要点 典例合作细解
1.化学平衡图像的类型及特点
(1)速率—时间图像(v-t图像)。
化学平衡图像的分析方法
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅰ.达到平衡后,改变某一条件正反应速率突变,逆反应速率渐变,v′正>v′逆,说明是增大了反应物的浓度,使正反应速率突变,且平衡正向移动。
Ⅱ.达到平衡后,改变某一条件,正、逆反应速率都是突然减小的,v′正>v′逆,平衡正向移动,说明该反应的正反应可能是放热反应或气体总体积增大的反应,改变的条件是降低温度或减小压强。
Ⅲ.达到平衡后,改变某一条件,正、逆反应速率都是突然增大的,并且v′正、v′逆增大程度相同,说明该化学平衡没有发生移动,可能是使用了催化剂,也可能是对反应前后气体总体积不发生变化的反应增大压强(压缩体积)所致。
[分析方法]
判断平衡移动方向,根据v′正、v′逆的相对大小;判断改变的哪种外界条件,根据改变条件的那一时刻v′正、v′逆的变化,若v′正或v′逆有一个在原平衡未变则为改变的浓度;若两个都发生了突变,则为改变的温度或压强;若两个都发生了突变且仍然相等,则为加入催化剂或反应前后气体体积不发生变化的反应改变压强。
(2)百分含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像。
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅰ.T2>T1,温度升高,平衡逆向移动,正反应是放热反应。
Ⅱ.p2>p1,压强增大,A(反应物)的转化率减小,说明正反应是气体总体积增大的反应。
Ⅲ.生成物C的百分含量不变,说明平衡不发生移动,但反应速率a>b,故a可能使用了催化剂;若该反应是反应前后气体总体积不变的可逆反应,a也可能是增大了压强(压缩体积)。
[分析方法]
①“先拐先平数值大”。在化学平衡图像中,先出现拐点的反应则是先达到平衡,先出现拐点的曲线表示的温度较高(如图Ⅰ中T2>T1)、压强较大(如图Ⅱ中p2>p1)或使用了催化剂(如图Ⅲ中a使用了催化剂)。
②正确掌握图像Ⅰ、Ⅱ中反应规律的判断方法
图Ⅰ中,T2>T1,升高温度,生成物百分含量降低,平衡逆向移动,正反应为放热反应。
图Ⅱ中,p2>p1,增大压强,反应物的转化率降低,平衡逆向移动,则正反应为气体体积增大的反应。
图Ⅲ说明了条件改变对化学平衡不产生影响,a可能是加入了催化剂,或该反应是反应前后气体体积不变的反应,a是增大压强。
(3)百分含量(或转化率)—压强—温度图像。
如图中确定压强为105 Pa或107 Pa,则生成物C的百分含量随温度T的升高而逐渐减小,说明正反应是放热反应;再确定温度T不变,做横坐标的垂线,与压强线出现两个交点,分析生成物C的百分含量随压强的变化可以发现,压强增大,生成物C的百分含量增大,说明正反应是气体总体积减小的反应。
[分析方法]
在化学平衡图像中,包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的三个量。确定横坐标所表示的量,讨论纵坐标与曲线的关系,或者确定纵坐标所表示的量,讨论横坐标与曲线的关系,即“定一议二”。如上图中T1温度下,A→B压强增大,C%增大,平衡正向移动,则正反应是气体分子数减小的反应;105 Pa时,A→C温度升高,C%减小,平衡逆向移动,则正反应是放热反应。
(4)物质的量 (浓度)—时间图像[n(c)-t图像]。
在2 L密闭容器中,某一反应有关物质A(g)、B(g)、C(g)的物质的量变化如图所示。
①横坐标表示反应过程中时间变化,纵坐标表示反应过程中物质的物质的量的变化。
②该反应的化学方程式是3A(g)+B(g) 2C(g)。
③在反应达2 min时,正反应速率与逆反应速率之间的关系是相等。
④若用A物质的量浓度的变化表示反应达平衡(2 min)时的正反应速率是0.15 mol·L-1·min-1。
[分析方法]
各物质的n或c不随时间变化时达到平衡状态,据起始量和平衡量求出转化量,各物质的转化量之比等于化学计量数之比,可以得出化学(或离子)方程式中的化学计量数。
(5)特殊图像。
①对于反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g) ΔH<0,M点前,表示化学反应从反应开始到建立平衡的过程,则v正>v逆,M点为平衡点,M点后为平衡受温度的影响情况。
②如图所示曲线是其他条件不变时,某反应物的平衡转化率与温度的关系曲线。图中标出的1、2、3、4四个点,表示v正>v逆的是点3,表示v正<v逆的是点1,而点2、4表示v正=v逆。
[分析方法]
①中图像,由于某一条件对平衡的影响只能向一个方向移动,所以最高点(最低点)及以后为平衡状态受条件的影响情况,前面为未达到平衡的情况。
②中图像曲线上的点全为对应条件下的平衡点。
2.解题思维建模
已知:A+2B 3C ΔH<0,向一恒温恒容的密闭容器中充入1 mol A和3 mol B发生反应,t1时达到平衡状态Ⅰ,在t2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态Ⅱ,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.容器内压强不变,表明反应达到平衡
B.t2时改变的条件:向容器中加入C
C.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ)<φ(Ⅰ)
D.平衡常数K:K(Ⅱ)
√
B [该反应是反应前后气体分子数不变的反应,随着反应的进行,气体的总物质的量始终不变,总压强始终不变,A错误;t2时,v′正瞬间不变,之后逐渐增大至不变,平衡逆向移动,故t2时改变的条件为向容器中加入C,B正确;t2时,设向容器中加入3 mol C,相当于加入1 mol A和2 mol B,则状态Ⅱ相当于起始投料为2 mol A和
5 mol B,若是投料为2 mol A和6 mol B与状态Ⅰ等效,即状态Ⅱ相当于减少了B的投料,平衡逆向移动,A的体积分数变大,即φ(Ⅱ)>φ(Ⅰ),C错误;化学平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,即K(Ⅱ)=K(Ⅰ),D错误。]
1.下面的各图中,表示2A(g)+B(g) 2C(g)(正反应放热)这个可逆反应的正确图像为( )
A B
C D
√
A [随着温度的升高,化学平衡应向吸热反应方向即逆反应方向移动,所以生成物C的体积分数减小,反应物的含量增大、转化率减小,A正确、D错误;增大体系的压强,由于反应的两边都是气态物质,所以正反应和逆反应的速率都增大,B错误;加入催化剂,只能增大反应速率,缩短达到平衡的时间,不能使平衡移动,所以达到平衡后,各组分的浓度及体积分数应该不变,C错误。]
2.反应mX(g) nY(g)+pZ(g) ΔH,在不同温度下的平衡体系中,物质Y的体积分数随压强变化的曲线如图所示。下列说法错误的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.m<n+p
C.B、C两点化学平衡常数:KB>KC
D.A、C两点的反应速率:v(A)<v(C)
√
C [由题图可知温度升高,Y的体积分数增大,说明平衡正向移动,则正反应为吸热反应;增大压强,Y的体积分数减小,说明平衡逆向移动,则m<n+p;对吸热反应来说,温度升高,K增大,KB<KC;A、C两点温度相同,C点压强大,则C点的速率大于A点。]
3.乙醇是重要的有机化工原料,可由乙烯水化法生产,反应的化学方程式为C2H4(g)+H2O(g) C2H5OH(g),下图为乙烯的平衡转化率与温度(T)、压强(p)的关系[起始n(C2H4)∶n(H2O)=1∶1]。
下列有关叙述正确的是( )
A.Y对应的乙醇的物质的量分数为
B.X、Y、Z对应的反应速率:v(X)>v(Y)>v(Z)
C.X、Y、Z对应的平衡常数:KXD.增大压强、升高温度均可提高乙烯的平衡转化率
√
A [据题图可知,Y点对应乙烯的平衡转化率为20%,起始n(C2H4)∶n(H2O)=1∶1,设C2H4和H2O的起始物质的量均为
1 mol,根据“三段式”计算:
C2H4(g)+H2O(g) C2H5OH(g)
起始/mol 1 1 0
转化/mol 0.2 0.2 0.2
平衡/mol 0.8 0.8 0.2
则平衡时乙醇的物质的量分数为=,故A正确;结合题图可得:p1KY>KZ,故C错误;因正反应是气体体积减小的反应,则压强越大,乙烯的平衡转化率越大,又因正反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,乙烯的平衡转化率降低,故D错误。]
基本能力 随堂评估自测
1.在密闭容器中进行反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)(正反应放热)。如图是某次实验的化学反应速率随时间变化的图像,推断在t1时刻突然改变的条件可能是( )
A.催化剂失效 B.减小生成物的浓度
C.降低体系温度 D.增大容器的体积
√
C [从题图可以看出:改变条件后,反应速率与原平衡速率出现断点且低于原平衡反应速率,说明改变的条件可能是降低温度或减压。从改变条件后的v′正与v′逆的大小关系,可得出化学平衡正向移动。降低温度,该平衡正向移动,必有v′正>v′逆,故选C。]
2.在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下,催化反应相同时间,测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是( )
A.反应2NO(g)+O2(g)===2NO2(g)的ΔH>0
B.图中X点所示条件下,延长反应时间能提高NO转化率
C.图中Y点所示条件下,增加O2的浓度不能提高NO转化率
D.380 ℃下,c起始(O2)=5.0×10-4 mol·L-1,
NO平衡转化率为50%,则平衡常数K<2 000
√
B [A.随温度升高NO的转化率先升高后降低,说明温度较低时反应较慢,一段时间内并未达到平衡,分析温度较高时,已达到平衡时的NO转化率可知,温度越高NO转化率越低,说明温度升高平衡向逆反应方向移动,根据勒夏特列原理分析可知该反应为放热反应,ΔH<0,故A错误;B.根据上述分析可知,X点时,反应还未到达平衡状态,反应正向进行,所以延长反应时间能提高NO的转化率,故B正确;C.Y点,反应已经达到平衡状态,此时增加O2的浓度,使得正反应速率大于逆反应速率,平衡向正反应方向移动,
可以提高NO的转化率,故C错误;D.设NO起始浓度为a mol·L-1,NO的转化率约为50%,则平衡时NO、O2和NO2的浓度分别为0.5a mol·L-1、(5×10-4-0.25a)mol·L-1、0.5a mol·L-1,根据平衡常数表达式K==>=2 000,故D错误。]
3.有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个体积均为0.5 L的恒容密闭容器,在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中按不同投料比(Z)充入HCl和O2(如下表),加入催化剂发生反应:4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH。HCl的平衡转化率与Z和T的关系如图所示。
容器 起始时 T/℃ n(HCl)/mol Z
Ⅰ 300 0.25 a
Ⅱ 300 0.25 b
Ⅲ 300 0.25 4
下列说法不正确的是( )
A.ΔH<0
B.a<4C.若容器Ⅲ反应某时刻处于R点,则R点的反应速率:v正>v逆
D.300 ℃时,该反应平衡常数为320
√
D [由题图可知,随着温度的升高,HCl的平衡转化率减小,说明平衡逆向移动,则正反应是放热反应,ΔH<0,A正确;在相同温度时,n(HCl)相同,越小,则HCl的平衡转化率越大,故a<4v逆,C正确;由于平衡常数只与温度有关,因此可根据Q点进行计算,起始时c(HCl)=0.5 mol·L-1,由Z=4求得c(O2)=0.125 mol·L-1,而c(Cl2)=c(H2O)=0,平衡时c(HCl)=0.5 mol·L-1-0.5 mol·L-1×80%=0.1 mol·L-1,c(O2)=-=,c(Cl2)=c(H2O)==0.2 mol·L-1,则K==640,D错误。]
4.二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0。合成总反应在起始物=3时,在不同条件下达到平衡,设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在t=250 ℃下的x~p、在p=5×105Pa下的x~t如图所示。
(1)用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数,表达式Kp=
________________________________________________________。
(2)图中对应等压过程的曲线是____,判断的理由是______________
________________________________________________________。
(3)当x=0.10时,CO2的平衡转化率α=________,反应条件可能为______________________或_____________________。
b
升高温度时平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量分数变小
总反应ΔH<0,
33.3%
5×105 Pa、210 ℃
9×105 Pa、250 ℃
[解析] (1)根据H2和CO2合成甲醇的总反应化学方程式可知,压强平衡常数表达式Kp=。和CO2合成甲醇的总反应为放热反应,则升高温度,平衡向逆反应方向移动,即混合气体中的甲醇蒸气含量减小,故曲线b为5×105 Pa时等压过程的曲线,而曲线a为250 ℃时等温过程的曲线。(3)根据=3,设初始时H2的物质的量为3 mol,CO2的物质的量为1 mol,参加反应的CO2的物质的量为a mol,用“三段式”计算:
CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)
起始/mol 1 3 0 0
转化/mol a 3a a a
平衡/mol 1-a 3-3a a a
则x(CH3OH)==0.10,解得a=,故CO2的平衡转化率为×100%≈33.3%。对照题图中的x(CH3OH)=0.10可知,反应条件是9×105 Pa、250 ℃或5×105 Pa、210 ℃。
题号
1
3
5
2
4
6
7
(本试卷共35分)
一、选择题(共5小题,每小题3分,共15分)
1.室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N===X+Y;②M+N===X+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、
k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随
时间变化情况如图,下列说法错误的是( )
能力课时培优练(4) 化学平衡图像分析
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-8mol·L-1·
min-1
B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变
C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为Z
D.反应①的活化能比反应②的活化能大
题号
1
3
5
2
4
6
7
√
A [0~30 min时间段内,Δc(Z)=0.125 mol·L-1,Δc(M)=0.500 mol·L-1-0.300 mol·L-1=0.200 mol·L-1,反应①中Δc(M)=0.200 mol·L-1-0.125 mol·L-1=0.075 mol·L-1,则Δc(Y)=0.075 mol·L-1,v(Y)==2.5×10-3 mol·L-1·min-1,A说法错误;反应①、②速率之比为==,为定值,则Y、Z的浓度变化量之比也为定值,故反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比
题号
1
3
5
2
4
6
7
保持不变,B说法正确;由上述分析可知,===,如果反应能进行到底,反应结束时①、②的转化率之比为3∶5,因此有(即62.5%)的M转化为Z,C说法正确;结合C选项,反应①的速率小于反应②的速率,所以反应①的活化能比反应②的活化能大,D说法正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
7
2.反应X===2Z经历两步:①X―→Y;②Y―→2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是( )
A.a为c(X)随t的变化曲线
B.t1时,c(X)=c(Y)=c(Z)
C.t2时,Y的消耗速率大于生成速率
D.t3后,c(Z)=2c0-c(Y)
√
题号
1
3
5
2
4
6
7
D [由题图知,a起始浓度最大,在整个反应过程中浓度一直减小,所以a代表c(X)随t变化的曲线,A说法正确;t1时,三条曲线相交,三种物质的浓度相等,B说法正确;结合题给反应判断,先增加后减小的是c(Y)随t变化的曲线,一直增大的是c(Z)随t变化的曲线,t2时,c(Y)在减小,说明Y的消耗速率大于生成速率,C说法正确;由题图知,t3后,X反应完全,X转化为Y的浓度为c0,Y的剩余浓度变为c(Y),则生成Z的消耗量为c0-c(Y),生成c(Z)=2c0-2c(Y),D说法错误。]
题号
1
3
5
2
4
6
7
3.如图是恒温下某化学反应的反应速率随反应时间变化的示意图。下列叙述与示意图不相符合的是( )
A.反应达到平衡时,正反应速率和逆反应速率相等
B.该反应达到平衡态Ⅰ后,增大反应物浓度,平衡发生移动,达到平衡态Ⅱ
C.该反应达到平衡态Ⅰ后,减小反应
物浓度,平衡发生移动,达到平衡态Ⅱ
D.同一种反应物在平衡态Ⅰ和平衡态Ⅱ时浓度不相等
√
题号
1
3
5
2
4
6
7
C [减小反应物浓度的瞬间,逆反应速率不变,正反应速率迅速降低,且达到新平衡时的反应速率比原平衡时的速率小,这与示意图不符,C错。]
题号
1
3
5
2
4
6
7
4.已知反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0,向某体积恒定的密闭容器中按体积比2∶1充入SO2和O2,在一定条件下发生反应。如图是某物理量(Y)随时间(t)变化的示意图(图中T表示温度),Y可以是( )
A.O2的体积分数
B.混合气体的密度
C.密闭容器内的压强
D.SO2的转化率
√
题号
1
3
5
2
4
6
7
D [由题图可知,温度T2达到平衡所用时间短,反应速率较快,所以温度T2>T1,温度升高,Y表示的物理量降低,该反应的正反应为放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,氧气的体积分数增大,A错误;升温平衡向逆反应方向移动,但混合气体的总质量不变,容器的体积不变,则混合气体的密度不变,B错误;升温平衡向逆反应方向移动,混合气体的总物质的量增大,容器的体积不变,容器的压强增大,C错误;升温平衡向逆反应方向移动,SO2的转化率降低,D正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
7
5.在恒容密闭容器中,由CO合成甲醇:CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g),在其他条件不变的情况下,研究温度对反应的影响,实验结果如图所示,下列说法正确的是( )
A.温度T1>T2
B.该反应在T1时的平衡常数比T2时的小
C.CO合成甲醇的反应为吸热反应
D.处于A点的反应体系从T1变到T2,达到平衡时增大
√
题号
1
3
5
2
4
6
7
D [A.温度T2>T1,故A错误;B.T1时生成甲醇的物质的量大,该反应在T1时的平衡常数比T2时的大,故B错误;C.T2>T1,升高温度,甲醇物质的量减小,平衡逆向移动,CO合成甲醇的反应为放热反应,故C错误;>T1,升高温度,甲醇物质的量减小,平衡逆向移动,处于A点的反应体系从T1变到T2,达到平衡时增大,故D正确。]
题号
1
3
5
2
4
6
7
二、非选择题(共2小题,共20分)
6.(10分)某兴趣小组对该反应进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下,将0.1 mol NH3通入3 L的密闭容器中进行反应(此时容器内总压为200 kPa),各物质的分压随时间的变化曲线如图所示。
题号
1
3
5
2
4
6
7
(1)若保持容器体积不变,t1时反应达到平衡,用H2的浓度变化表示0~t1时间内的反应速率v=________mol ·L-1·min-1(用含t1的代数式表示)。(3分)
题号
1
3
5
2
4
6
7
(2)t2时将容器容积迅速缩小至原来的一半并保持不变,图中能正确表示压缩后N2分压变化趋势的曲线是________(用图中a、b、c、d表示),理由是________________________________________________
__________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________。(3分)
题号
1
3
5
2
4
6
7
b
容积迅速缩小至原来的一半时,N2分压变为原来的2倍;其他条件不变时,容器容积减小,压强增大,平衡向气体体积减小
的方向移动,该平衡逆向移动,所以N2分压先变为原来的2倍,后逐渐减小
(3)在该温度下,反应的标准平衡常数Kθ=________。(4分)
(已知:分压=总压×该组分物质的量分数,对于反应dD(g)+eE(g)
gG(g)+hH(g),Kθ=,其中pθ=100 kPa,pG、pH、
pD、pE为各组分的平衡分压)。
题号
1
3
5
2
4
6
7
0.48
[解析] (1)设0~t1时间内生成的氮气为x mol,列“三段式”:
2NH3(g) N2(g)+3H2(g)
起始量/mol 0.1 0 0
变化量/mol 2x x 3x
平衡量/mol 0.1-2x x 3x
由题图可知t1时,氨气和氢气的平衡分压相等,根据压强之比等于物质的量之比,所以n(NH3)=n(H2),则3x=0.1-2x,解得x=0.02,所以v(H2)=mol·L-1·min-1。
题号
1
3
5
2
4
6
7
(2)t2时将容器容积迅速缩小至原来的一半,N2分压变为原来的2倍;其他条件不变时,容器容积减小,压强增大,平衡向气体体积减小的方向移动,即该平衡逆向移动,所以N2分压先变为原来的2倍,后逐渐减小,故选b。(3)由题图可知,t1时,反应达到平衡状态,且p(NH3)=p(H2)=1.2×100 kPa,p(N2)=0.4×100 kPa,则Kθ=
==0.48。
题号
1
3
5
2
4
6
7
7.(10分)设为相对压力平衡常数,其表达式写法:在浓度平衡常数表达式中,用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0=100 kPa)。
该重整反应体系主要涉及以下反应:
a)CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1
b)CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2
c)CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH3
d)2CO(g) CO2(g)+C(s) ΔH4
e)CO(g)+H2(g) H2O(g)+C(s) ΔH5
题号
1
3
5
2
4
6
7
反应a、c、e的随(温度的倒数)的变化如图所示。
题号
1
3
5
2
4
6
7
(1)反应a、c、e中,属于吸热反应的有____________(填字母)。(1分)
(2)反应c的相对压力平衡常数表达式为=___________。(4分)
题号
1
3
5
2
4
6
7
ac
(3)在图中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)∶n(CH4)=1∶1、初始总压为100 kPa 的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率,写出计算过程:
__________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________。(5分)
题号
1
3
5
2
4
6
7
题图中A点对应温度下反应c的=0,即==1,p(CH4)===16 kPa,p初始(CH4)=100 kPa×=50 kPa,CH4的平衡转化率为×100%=68%
[解析] (1)由题图可知,反应a、c的随T升高而增大,故a、c均为吸热反应。反应e的随T升高而减小,故e为放热反应。
(2)由于C(s)是固体,因此反应c的相对压力平衡常数表达式为=
=。
题号
1
3
5
2
4
6
7
(3)由题图可知,A点对应温度下反应c的=0,即==1,p(CH4)===16 kPa,根据反应条件,可知相同条件下,二氧化碳与甲烷的物质的量之比等于压强之比,则p初始(CH4)=×100 kPa=50 kPa,则CH4的平衡转化率为×100%=68%。
题号
1
3
5
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谢 谢!