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Chemie und unser Universum, wie alles funktioniert

Veröffentlicht am

JAHR: 2016 | LÄNGE: 60 Teile (Jeweils 30 Minuten) | QUELLE: TGC

Beschreibung:

Unsere Welt wird von der Chemie beherrscht. Die Luft, die wir atmen, besteht aus Stickstoff, Sauerstoff und Spurengasen. Die Kleidung, die wir tragen, besteht aus Cellulose, Protein oder synthetischen Polymeren. Wenn wir auf die Straße gehen, werden wir durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder die Reaktionen in Speicherbatterien angetrieben. Schauen Sie sich um und alles, was Sie sehen, ist das Produkt der Chemie - einschließlich des Sonnenlichts, das durch das Fenster strömt und aus der Verschmelzung von Atomen im Kern der Sonne stammt.

Folgen:

Chemie ist das Studium aller Materie, aber Materie in einem ganz bestimmten Maßstab - der von Atomen und Molekülen. Professor Davis skizziert zunächst seine Herangehensweise an dieses enorme Thema und führt dann das Periodensystem der Elemente ein, eines der mächtigsten konzeptionellen Werkzeuge, die jemals entwickelt wurden.

Chemiker haben bequeme Einheiten für den Umgang mit Materie auf atomarer Ebene. In dieser Vorlesung lernen Sie den Ursprung und die relative Größe des Angstroms zur Messung der Länge sowie die Atommasseneinheit, den Mol zur Messung der Menge und die Kelvin-Skala zur Temperatur.

Licht interagiert auf entscheidende Weise mit Materie. Verfolgen Sie in der ersten von zwei Vorlesungen über die Natur des Lichts die Debatte darüber, ob Licht eine Welle oder ein Teilchen ist, beginnend in der Antike. Sehen Sie, wie die Wellentheorie im 19. Jahrhundert zu triumphieren schien und zur Entdeckung des elektromagnetischen Spektrums führte.

Obwohl Licht wellenartige Eigenschaften hat, verhält es sich auch wie ein Teilchen, das in diskreten Energieeinheiten vorliegt, die als Quanten bezeichnet werden. Erfahren Sie, wie die Physiker Max Planck, Albert Einstein und andere ein revolutionäres Bild des Lichts erstellt haben, das sowohl seine wellen- als auch seine partikelähnliche Natur erkennt.

Ziehen Sie die Schichten des Atoms zurück, um zu untersuchen, was sich darin befindet. Beobachten Sie, wie Elektronen, Protonen und Neutronen verteilt sind, wie sie einem Atom seine Identität verleihen und wie sie seine elektrische Ladung und Atommasse beeinflussen. Entdecken Sie die Bedeutung von Begriffen wie Isotop, Anion und Kation.

Beginnen Sie mit Wasserstoff und sehen Sie, wie sich Elektronen in Abhängigkeit von ihrem Energiezustand innerhalb des Atoms organisieren. Absolvent von Niels Bohrs revolutionärem Modell des Atoms zu Erwin Schrödingers noch genauerer Theorie. Zeichnen Sie dann verschiedene Elektronenkonfigurationen in immer schwereren Atomen.

Kehren Sie zum Periodensystem zurück, das in Vorlesung 1 vorgestellt wurde, um die Vorhersage der Eigenschaften von Elementen anhand ihrer elektronischen Struktur zu üben. Beobachten Sie dann, was passiert, wenn drei verschiedene Alkalimetalle mit Wasser reagieren. Die Theorie prognostiziert einen deutlichen Unterschied im Ergebnis. Gibt es?

Wenden Sie sich Molekülen zu, bei denen es sich um Gruppen von Atomen handelt, aus denen Verbindungen und einige Elemente bestehen. Lernen Sie, die empirische Formel für ein einfaches Molekül und auch seine Summenformel zu berechnen, die die genaue Anzahl der einzelnen Atomtypen angibt.

Beginnen Sie in der ersten von fünf Vorlesungen über chemische Bindungen, das Rätsel zu lösen, was Atome zu Molekülen verbindet. Untersuchen Sie, wie molekulare Bindungen die in Vorlesung 7 beschriebene Oktettregel widerspiegeln, und lassen Sie sie in vier Klassen einteilen: ionische, kovalente, polare kovalente und metallische Bindungen.

Der Chemiker Gilbert N. Lewis entwickelte um die Wende des 20. Jahrhunderts eine einfache Methode zur Darstellung der wesentlichen Blaupause der Molekülstruktur. Erfahren Sie, wie Sie Lewis-Strukturen zeichnen und verwenden Sie diese Technik, um Konzepte wie formale Ladung und Resonanz zu untersuchen.

Machen Sie den nächsten Schritt über Lewis-Strukturen hinaus, um zu sehen, wie Atome in einem Molekül in drei Dimensionen angeordnet sind. Die VSEPR-Theorie (Valenzschalen-Elektronenpaar-Abstoßungstheorie) bietet Chemikern eine schnelle Möglichkeit, die Formen von Molekülen anhand einiger grundlegender Annahmen vorherzusagen.

Treffen Sie einen der Väter der modernen physikalischen Chemie, Linus Pauling. Erfahren Sie mehr über seine Theorie der Orbitalhybridisierung, die einige der Mängel der VSEPR-Theorie behebt, indem sie die Ladung von Elektronen in verschiedenen Orbitalen mittelt und die besondere Geometrie bestimmter Moleküle berücksichtigt.

Entdecken Sie ein alternatives Modell der chemischen Bindung: die Molekülorbitaltheorie, entwickelt von Friedrich Hund und Robert Mulliken. Diese Idee erklärt Rätsel wie der Grund, warum Sauerstoff paramagnetisch ist. Sehen Sie sich eine Demonstration der Anziehungskraft von Sauerstoff auf einen Magneten an und verwenden Sie dann die Molekülorbitaltheorie, um zu verstehen, warum dies geschieht.

Begin your study of chemical reactions by investigating how chemists write reactions using a highly systematized code. Next, Professor Davis introduces the "big four" types of chemical reactions: synthesis, decomposition, single displacement, and double displacement. He also shows how to translate between measurements in moles and grams.

Die Stöchiometrie mag sehr technisch klingen, aber es sind einfach die relativen Anteile, in denen Chemikalien reagieren. Erfahren Sie, wie Sie eine Reaktionsgleichung ausgleichen und wie Sie Probleme lösen, bei denen Reagenzien, theoretische Ausbeute, prozentuale Ausbeute und optimierte Reaktionen begrenzt sind.

Überlegen Sie, wie Atome und Moleküle das wichtigste Gut im Universum erzeugen, verbrauchen und transportieren können: Energie. Üben Sie die Berechnung von Energieänderungen in Reaktionen, untersuchen Sie das Konzept der Enthalpie (den Gesamtwärmegehalt eines Systems) und lernen Sie, wie Chemiker ein Gerät verwenden, das als Kalorimeter bezeichnet wird.

Der Chemiker Germain Hess theoretisierte 1840, dass die gesamte Wärmeänderung bei einer chemischen Reaktion gleich der Summe der Wärmeänderungen seiner einzelnen Schritte ist. Untersuchen Sie die Auswirkungen dieses Prinzips, das als Hess'sches Gesetz bekannt ist. Lernen Sie dabei die Formationswärme kennen.

Wenden wir uns nun der Entropie zu, die ein Maß für die Störung ist. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt die Entropie geschlossener Systeme immer zu. Sehen Sie anhand der absoluten Entropietabelle, wie diese Änderung bei chemischen Reaktionen berechnet werden kann.

Enthalpie und Entropie sind gegensätzliche Größen. Sie werden jedoch in der vom Chemiker J. Willard Gibbs entdeckten Gleichung für freie Energie kombiniert, die vorhersagt, ob eine Reaktion spontan stattfinden wird. Untersuchen Sie den Unterschied zwischen endothermen (Wärme benötigten) und exothermen (Wärme freisetzenden) Reaktionen.

Untersuchen Sie die physikalischen Eigenschaften, die die häufigsten Phasen der Materie definieren: Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Konzentrieren Sie sich dann auf die intermolekularen Kräfte, die steuern, welche dieser Phasen eine Substanz einnimmt. Analysieren Sie die Rolle der Londoner Dispersionskräfte, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken.

Umfrageereignisse auf molekularer Ebene, wenn Substanzen zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen umgewandelt werden. Achten Sie besonders auf die Rolle von Temperatur und Druck bei diesen Übergängen. Machen Sie sich mit einem leistungsstarken Vorhersagewerkzeug vertraut, dem Phasendiagramm.

Überprüfen Sie in der ersten von zwei Vorlesungen über die Eigenschaften von Gasen die Grundgleichungen, die ihr Verhalten beschreiben. Lernen Sie die Geschichte von Boyles Gesetz, Gay-Lussacs Gesetz, Charles 'Gesetz und Avogadros Gesetz kennen. Verwenden Sie dann diese vier Ausdrücke, um das berühmte ideale Gasgesetz abzuleiten.

Wenden Sie die Physik bewegter Körper auf die unzähligen Partikel an, aus denen ein Gas besteht. Beobachten Sie, wie das Grahamsche Gesetz die Masse der Gaspartikel mit der Geschwindigkeit verknüpft, mit der sie durch eine kleine Öffnung entweichen. Dieser Vorgang wird als Erguss bezeichnet. Sehen Sie, wie diese Technik verwendet wurde, um Uran für die ersten Atomwaffen anzureichern.

Wenden wir uns nun Flüssigkeiten zu, die sich komplizierter verhalten als Gase. Für beide gelten die gleichen intermolekularen Kräfte, für Flüssigkeiten jedoch in einem viel näheren Bereich. Untersuchen Sie die resultierenden Eigenschaften, einschließlich Viskosität, Flüchtigkeit, Inkompressibilität und Mischbarkeit. Berücksichtigen Sie auch Anwendungen dieser Eigenschaften.

Feststoffe zeichnen sich durch ein definiertes Volumen und eine definierte Form aus, die durch dichtes Packen von Atomen, Ionen oder Molekülen entstehen. Konzentrieren Sie sich darauf, wie regelmäßig die Packung in kristallinen Festkörpern ist, die Gittergeometrien aufweisen. Untersuchen Sie insbesondere die Struktur und Eigenschaften von Metallen und Legierungen.

Untersuchen Sie Feststoffe, die durch andere Kräfte als metallische Bindungen zusammengehalten werden. Beispielsweise weist Natriumchlorid (Tafelsalz) eine Gitterstruktur auf, die durch Ionenbindungen verbunden ist; molekulare Feststoffe wie Zucker haben kovalente Bindungen; und Diamant und Graphit sind Fälle von kovalenten Netzwerkfeststoffen, ebenso wie Silikate.

Tauchen Sie ein in die Natur der Lösungen und unterscheiden Sie zwischen gelösten Stoffen und dem Lösungsmittel. Überprüfen Sie die Möglichkeiten zur Meldung von Lösungskonzentrationen, einschließlich Molarität, Molalität, Teilen pro Million und Teilen pro Milliarde. Sehen Sie, wie Chemiker Lösungen mit bekannten Konzentrationen herstellen und zur Bestimmung der Konzentration auch Licht verwenden.

Setzen Sie Ihre Untersuchung von Lösungen fort, indem Sie die maximale Löslichkeit von Materialien in Wasser und das Konzept gesättigter Lösungen untersuchen. Untersuchen Sie den Einfluss der Temperatur auf Lösungen. Beobachten Sie dann, wie Professor Davis Henrys Gesetz über die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten und das Phänomen der Übersättigung demonstriert.

Bestimmte Eigenschaften von Lösungen hängen nur von der Konzentration der gelösten gelösten Partikel ab, nicht von der Art der Partikel. Diese als kolligative Eigenschaften bezeichneten Verhaltensweisen umfassen Verhaltensweisen wie das Absenken des Gefrierpunkts, das Erhöhen des Siedepunkts und den osmotischen Druck. Studienbeispiele von jedem.

Beginnen Sie mit einem klassischen Experiment namens Zahnpasta des Elefanten und beginnen Sie mit der Untersuchung der Reaktionsgeschwindigkeiten. Lernen Sie, Raten mathematisch auszudrücken und die Bedeutung der Ratenreihenfolge zu verstehen, die mit den Potenzen der Konzentrationen zusammenhängt. Erweitern Sie diese Ideen auf Halbwertszeitgleichungen, die für die Datierung geologischer Prozesse und archäologischer Artefakte von entscheidender Bedeutung sind.

Konzentrieren Sie sich auf den Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeiten. Erfahren Sie, wie Sie die Arrhenius-Gleichung verwenden, um die Aktivierungsenergie für eine Reaktion zu berechnen, und üben Sie das Lösen von Problemen. Warum reduziert beispielsweise das Kühlen von Lebensmitteln im Kühlschrank den Verderb so dramatisch?

Chemische Reaktionen finden häufig in mehreren Schritten statt und wandeln Ausgangsmaterialien in Zwischenprodukte um, die dann in Produkte umgewandelt werden. Jeder Phase dieses Prozesses ist ein eigenes Tarifgesetz zugeordnet. Erfahren Sie, wie Sie diese Schritte analysieren und eine ganz besondere Klasse von Reaktanten betrachten: Katalysatoren.

Was passiert, wenn Reaktionen umgekehrt werden können? Untersuchen Sie Reaktionen, die gleichzeitig in beide Richtungen ablaufen und zu einem dynamischen Gleichgewicht führen. Konzentrieren Sie sich auf homogene Gleichgewichte, an denen Reaktanten und Produkte in derselben Phase beteiligt sind. Schließen Sie mit einer Einführung in den Reaktionsquotienten.

Setzen Sie Ihre Untersuchung der Gasphasengleichgewichte fort, indem Sie das Prinzip von Le Chatelier untersuchen, das beschreibt, was passiert, wenn ein chemisches System gestört wird. Untersuchen Sie drei verschiedene Szenarien, in denen diese Regel angewendet wird. Erforschen Sie abschließend eine weltbewegende Anwendung des Le Chatelier-Prinzips.

Wenden wir uns nun Säuren und Basen zu. Überprüfen Sie die Suche nach den bestimmenden Eigenschaften dieser allgegenwärtigen Substanzen - eine Suche, die sich Wissenschaftlern bis zu unabhängigen Entdeckungen von J. N. Bronsted und T. M. Lowry in den 1920er Jahren entzogen hat. Hören Sie dann, wie der Chemiker Soren Sorensen die pH-Skala zur Messung von Säure und Basizität entwickelt hat.

In der vorherigen Vorlesung haben Sie sich mit starken Säuren und Basen befasst, die in Lösung vollständig ionisieren. Untersuchen Sie in dieser Vorlesung schwache Säuren und Basen und untersuchen Sie, warum sie nur teilweise ionisieren. Übungstechniken zur Berechnung ihrer Eigenschaften und Konzentrationen in verschiedenen Lösungen.

Mischen Sie die Dinge, indem Sie sich ansehen, was passiert, wenn sich Säuren und Basen verbinden. Sehen Sie, wie ein gewünschter pH-Wert durch Regulierung von Säure-Base-Reaktionen erreicht werden kann. Lernen Sie dabei die Verwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung, die in Biologie und Medizin unverzichtbar ist.

Bisher haben Sie sich auf Säuren konzentriert, die bei einer Säure-Base-Reaktion ein einzelnes Wasserstoffion abgeben. Wenden wir uns nun polyprotischen Säuren zu, die mehr als ein Proton pro Molekül spenden. Untersuchen Sie die daraus resultierenden komplexen Ionisationsprozesse und sehen Sie, wie sie bei der Regulierung des Blut-pH-Werts eine Rolle spielen.

Schließen Sie Ihre Untersuchung von Säuren und Basen ab, indem Sie die fundamentalen Ursachen für ihr unterschiedliches Verhalten herausfinden. Warum gibt es zum Beispiel einen Unterschied in der Leichtigkeit, mit der verschiedene Säuren ionisieren? Ihre Suche stützt sich auf Konzepte aus früheren Vorlesungen, darunter Elektronegativität, Molekülgeometrie, Hybridisierung und kovalente Bindung.

Begegnung mit Reduktions-Oxidations-Reaktionen (Redox), bei denen Elektronen zwischen Substanzen ausgetauscht werden. Entdecken Sie, dass dieser Prozess geologische Ereignisse auf der frühen Erde erklärt, einschließlich der Frage, warum Eisen in seinem metallischen Zustand in der Natur so selten ist. Untersuchen Sie dann die damit verbundenen Phänomene, einschließlich der Aktivitätsreihen von Metallen.

Treffen Sie drei Wissenschaftler, die den Grundstein für die Elektrochemie gelegt haben. Robert Millikan hat die Ladung des Elektrons gemessen. Michael Faraday entdeckte die Beziehung zwischen freier Energie und elektrischem Potential. Walther Nernst formulierte die Beziehung zwischen Redoxpotential und Gleichgewichtskonstanten. Ihre Beiträge ebneten den Weg für das, was als nächstes kam.

Wenden Sie Ihr Verständnis der Elektrochemie auf eine der einflussreichsten Erfindungen aller Zeiten an: die elektrische Speicherbatterie. Verfolgen Sie die Entwicklung der Batterien von der Antike über die 1800 entwickelte bahnbrechende Voltaikzelle von Alessandro Volta bis hin zu den heutigen Alkali-, Lithium- und anderen innovativen Batterietechnologien.

Die in chemischen Bindungen gespeicherte Energie verblasst neben der Energie, die Atomkerne zusammenhält. Schauen Sie zurück auf die allmähliche Entschlüsselung der Geheimnisse des Kerns, die Entdeckung von Strahlung, die von Elementen wie Uran ausgeht, und die eventuelle Nutzung dieses Phänomens für Waffen, elektrische Energie und medizinische Behandlungen.

Graben Sie tiefer in den Kern ein, um herauszufinden, wie so wenig Materie in die enorme Energie einer nuklearen Explosion umgewandelt werden kann, wie in Albert Einsteins berühmter Masse-Energie-Gleichung beschrieben. Fokus auf nukleare Bindungsenergie und Massendefekt, die beide mit der Freisetzung von Kernenergie verbunden sind.

In den 1940er Jahren erarbeiteten Wissenschaftler Techniken zur Beschleunigung der Radioaktivität von Uranisotopen mittels einer Spaltkettenreaktion. Sehen Sie sich diesen Prozess an, der mit einer Reihe von Mausefallen modelliert wurde, und zeigen Sie, wie die Reaktion in einem Reaktor gesteuert oder in einer Bombe katastrophal ausgelöst werden kann.

Überprüfen Sie die Bindungskurve für die Kernenergie erneut und stellen Sie fest, dass die meisten Elemente, die leichter als Eisen sind, durch Verschmelzen Energie freisetzen können. Dies ist eine noch energischere Reaktion als die Spaltung, und es ist das, was die Sonne antreibt. Verfolgen Sie die Entwicklung von Fusionswaffen und den bisher nicht realisierten Traum von Fusionsreaktoren.

Beginnen Sie mit der ersten von drei Vorlesungen über organische Chemie, die sich mit Molekülen auf Kohlenstoffbasis befasst, und verstehen Sie, warum Kohlenstoff ein so vielseitiges Molekül darstellt. Betrachten Sie als Beispiel die unglaubliche Vielfalt der Kohlenwasserstoffe, von Bitumen (Asphalt) bis hin zu Benzin und Methan.

Machen Sie sich ein Bild von einer der beliebtesten Herausforderungen für Bio-Chemiker - verwandeln Sie eine organische Verbindung in eine andere. Konzentrieren Sie sich auf drei Arten von Reaktionen aus den vielen, die in der organischen Synthese verwendet werden: Substitution, Eliminierung und Addition. Betrachten Sie abschließend die wichtige Rolle von Wasser in der organischen Chemie.

Beginnen Sie mit dem Geheimnis des alten Maya-Gummiballs und verfolgen Sie die Geschichte der Polymerchemie von glücklichen Unfällen bis zu den Fortschritten des Chemikers Hermann Staudinger, der im frühen 20. Jahrhundert zeigte, dass Polymere Makromoleküle sind. Erfahren Sie, wie synthetische Polymere entstehen.

Wechseln Sie von synthetischen Polymeren zu Biopolymeren - solchen, die natürlich vorkommen. Konzentrieren Sie sich auf Polysaccharide, Nukleinsäuren und Proteine ​​(einschließlich einer speziellen Klasse von Proteinen, Enzymen). Entdecken Sie, dass lebende Systeme ein Maß an Kontrolle über die Synthese dieser Polymere ausüben, das kein Chemiker jemals im Labor erreichen könnte.

Untersuchen Sie die Methoden, mit denen Forscher Moleküle entwickeln, mit denen medizinische Probleme wie Entzündungen, bakterielle Infektionen und Krebs behoben werden können. Untersuchen Sie als Beispiel das Lock-and-Key-Modell der Enzymaktivität, das erklärt, wie viele Enzyme funktionieren, und ein potenzielles schwaches Glied hervorhebt, das von Arzneimitteln ausgenutzt werden kann.

Untersuchen Sie die Arten von Chemikalien, die die menschliche Gesundheit schädigen können. Analysieren Sie zunächst die Unterschiede zwischen einem Gift, einem Toxin und einem Gift. Studieren Sie dann jeweils Beispiele und lernen Sie, wie Arsen die ATP-Produktion stört, was Nikotin tödlicher macht, als die meisten Menschen glauben, und warum Gifte typischerweise komplexe Proteine ​​sind.

Tauchen Sie ein in die dunkle Welt der Chemie als Kriegswaffe. Rohe chemische Waffen wurden in der Antike eingesetzt, erreichten jedoch erst im Ersten Weltkrieg eine echte Raffinesse und strategische Bedeutung. Stellen Sie den Vater der modernen chemischen Kriegsführung, den Chemiker Fritz Haber, vor und untersuchen Sie die spezifische Wirkung einer Reihe tödlicher chemischer Wirkstoffe.

Erforschen Sie die Chemie von Kraftstoffen, bei denen es sich um Materialien handelt, die mit einem Oxidationsmittel reagieren, um Energie zu erzeugen. Beginnen Sie mit Cellulose, dem Hauptbestandteil von Holz, und untersuchen Sie dann Erdöldestillate wie Kerosin, Diesel und Benzin. In der Nähe erfahren Sie, wie aus Pflanzenölen Biodiesel hergestellt werden kann, der sich ähnlich wie Dieselkraftstoff auf Erdölbasis verhält.

Beobachten Sie, was auf molekularer Ebene passiert, was die Verbrennung von Kraftstoff von einer Explosion unterscheidet, und erfahren Sie, was eine Detonation ausmacht, die eine genaue technische Bedeutung hat. Untersuchen Sie Sprengstoffe von Schießpulver über Nitroglycerin über TNT bis hin zu Plastiksprengstoffen und untersuchen Sie Methoden zum Nachweis von Sprengstoffen.

Machen Sie eine kurze Tour durch die Geochemie, beginnen Sie am Erdkern und arbeiten Sie sich an die Oberfläche. Entdecken Sie, warum unser Planet ein Magnetfeld hat, wie radioaktive Atome Kontinente bewegen und Gebirgszüge bauen und warum das Graben eines Lochs zur Gewinnung von Ressourcen eine chemische Katastrophe hervorrufen kann.

Es wird gesagt, dass Wasser 75% der Erdoberfläche bedeckt. Aber Chemiker wissen es besser: Genauer gesagt wird die Erdoberfläche in eine wässrige Lösung getaucht - eine Mischung aus Wasser und vielen verschiedenen gelösten Stoffen. Konzentrieren Sie sich auf gelöstes Kohlendioxid, Methanhydrate und die Suche nach gelöstem Gold.

Wenden wir uns nun der Chemie der Atmosphäre zu, insbesondere der 1%, die aus anderen Gasen als Stickstoff und Sauerstoff besteht. Kartieren Sie die Struktur der Atmosphäre und zeichnen Sie ihr Temperaturprofil auf. Hören Sie die guten und schlechten Nachrichten über Ozon und untersuchen Sie die Ursache für sauren Regen.

Schließen Sie den Kurs ab, indem Sie über unseren Planeten hinaus Atome und Moleküle im Kosmos untersuchen. Suchen Sie insbesondere nach zwei Substanzen, die Lebensvoraussetzungen sind: Wasser und organische Moleküle. Beide erweisen sich als reichlich, was darauf hindeutet, dass das Studium der Chemie eine lange und glänzende Zukunft hat!

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