FUNDACION M.H.E - Dr. Mario E. Hidalgo - ESCUELA DE SALUDTECNICO SUPERIOR EN ALIMENTOS

LABORATORIO DE FÍSICO-QUÍMICAPRÁCTICA 1DENSIDAD

OBJETIVO

1. Determinar la propiedad de densidad de diferentes sustancias puras y en solución, a través de diferentes métodos experimentales.

2. Relacionar la propiedad de densidad con otras variables físicas de las sustancias, mediante el análisis de los datos experimentales.

INTRODUCCION

La densidad se puede definir en base a:a) Sistemas absolutosb) Sistemas gravitacionales

Densidad (ρ) es la relación de la masa con el volumen del cuerpo:

Peso específico (Pe) es la relación del peso del cuerpo con su volumen:

Otras magnitudes relacionadas con el concepto de densidad son las siguientes:

Densidad absoluta: a una temperatura determinada es la relación:

Densidad relativa: relación de la densidad absoluta de la sustancia problemas con respecto a la densidad absoluta de una sustancia patrón dando como resultado una cantidad adimensional, lo cual nos da la diferencia entre la densidad absoluta y la densidad relativa:

Profesora Encargada: Ing. María Angélica Ramos López.

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Para lograr la determinación de la densidad relativa se requiere que el volumen sea el mismo para las dos sustancias y que la determinación se realice a una temperatura dada.

Peso específico relativo: s la relación del peso específico absoluto de una sustancia problema con respecto al peso específico absoluto de una sustancia patrón, en las mismas condiciones de temperatura y utilizando el mismo volumen; lo cual nos conduce nuevamente a una magnitud adimensional:

Donde g es la aceleración debida a la gravedad.

Masa específica: es la masa de la unidad de volumen, cuya definición equivale a la definición de Densidad absoluta:

MÉTODOS PARA DETERMINACIÓN DE DENSIDAD EN LÍQUIDOS

A). Método del picnómetro. El picnómetro es un frasco de cuello angosto y esmerilado provisto de un tapón de vidrio alargado y atravesado longitudinalmente por una horadación de diámetro pequeño (ver Figura 1). La característica fundamental de un picnómetro es el tener un volumen constante que no debe confundirse con la capacidad que en algunos casos trae marcada el aparato. En realidad ese volumen constante se desconoce y por otra parte no es necesario conocerlo, pero precisamente para lograr esa característica se ha ideado dotarlo del tapón alargado y horadado, pues las variaciones de volumen de picnómetro debidas a los cambios de temperatura se reflejan en variaciones de nivel del líquido que lo llena en la parte horadada del tapón. Así pues cuando el nivel baje deberá agregarse del mismo líquido hasta que enrace con la parte superior del tapón.

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Figura 1. Picnómetro

B). Método de la balanza de Mohr – Westphal. Consiste en una balanza de brazos desiguales, que lleva en el brazo mayor un lastre o flotador y pesas o jinetillos destinados a contrarrestar el empuje ascendente sobre el flotador. Se basa en el principio de Arquímedes: “Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje vertical ascendente igual al peso del líquido desalojado”. La expresión algebraica de este principio es:E = P = V • PeDonde:E = Empuje que experimenta el cuerpo sumergido.P = Peso de fluido desalojado por el cuerpo.V = Volumen del cuerpo sumergido, volumen del fluido desalojado por él.Pe = Peso específico absoluto del fluido.

Cuando se introduce el flotador en un líquido experimenta un empuje y esto ocasiona que se altere el equilibrio de la balanza, para restablecer este se colocan los jinetillos en las marcas apropiadas que hay en el brazo mayor. El peso específico se obtiene sumando los valores de los jinetillos.

C). Método del densímetro: se basa en el principio de Arquímedes aplicado al caso particular de un cuerpo que flota. Cuando un cuerpo sólido insoluble se introduce en un líquido pueden ocurrir tres casos:

• Que el cuerpo se hunda• Que el cuerpo quede suspendido en el seno del líquido• Que el cuerpo flote

Analizando los tres casos, en los tres hay dos fuerzas fundamentales: el peso del cuerpo que es una fuerza vertical dirigida hacia abajo y el empuje que es una fuerza vertical dirigida hacia arriba. Tomando en cuenta estas dos fuerzas: cuando el peso es mayor que el empuje, el cuerpo se hunde; si el peso es igual al empuje, el cuerpo queda suspendido en el seno del líquido conservando la posición que se le dé; si el peso es menor que el empuje el cuerpo flota. Los densímetros comúnmente utilizados son de peso constante y volumen variable, lo cual significa que el peso de ellos es constante y que el volumen de su parte sumergida varía de acuerdo con el peso específico del líquido en el cual se introduce. Estos densímetros están formados por un

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tubo de vidrio delgado que recibe el nombre de vástago, dentro del cual va la escala correspondiente. Este vástago sufre un ensanchamiento en su diámetro para constituir el bulbo, el cual lleva en su parte inferior un material denso (perdigones de mercurio), formando así el lastre que permite al densímetro flotar en posición vertical

MATERIAL y/o EQUIPO SUSTANCIAS• Picnómetro• Densímetros de 0.7-1.2• Balanza analítica• Probeta de 100 ml• Vasos de ppdo. de 100 ml• Pipetas de 5 ó 10 ml

• Sacarosa al 5%• Sacarosa al 1%• Miel de abeja• Salmuera 5%• Ácido acético• Benceno• Agua destilada

PROCEDIMIENTO

Método del picnómetro

Determinar el volumen del picnómetro de la siguiente manera:

Pesar el picnómetro vacío y seco, llenarlo con agua destilada a una temperatura determinada y por diferencia de pesada obtener la masa del agua. Recurrir a las tablas de propiedades del agua y obtener la masa, su densidad a la temperatura de trabajo. Con los datos de masa y densidad, calcular el volumen. Una vez conocido el volumen real, calcular la densidad absoluta de cualquiera de las sustancias.

Método del densímetroIntroducir el líquido cuya densidad va a ser determinada en la probeta del volumen especificado, hasta alcanzar la capacidad. Colocar sin que roce las paredes de la probeta, dando un giro un densímetro previamente limpio y seco, con una escala que corresponda aproximadamente a la densidad del líquido problema en el caso de que se desee identificar sustancias puras cuya densidad se conoce.En el caso de que no se conozca la naturaleza del líquido, colocar densímetros por tanteo en el líquido, hasta encontrar el adecuado.Una vez que se estabilice el densímetro, lea la escala corresponde al nivel del líquido problema y obtenga la densidad relativa a la temperatura existente.Procédase de la misma manera con los demás líquidos.Una vez utilizándose los densímetros, lavarlos y secarlos perfectamente para guardarse.

Relación densidad - concentraciónDeterminar la densidad por el método del picnómetro para cada una de las soluciones de sacarosa.Con los datos experimentales construir un diagrama en papel milimétrico de densidad contra una temperatura dada. Interpretar el diagrama y concluir sobre la relación densidad concentración.

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Relación densidad-temperaturaDeterminar la densidad relativa del agua a temperatura más alta o más baja que la temperatura ambiente. De los datos a concluir la dependencia de la densidad con la temperatura.

CUESTIONARIO

1.- Explique ¿Qué son propiedades intensivas y extensivas de la materia. Cite algunos ejemplos.2.- Defina: masa, volumen y peso.3.- ¿Que parámetros afectan los valores de densidad? Explique.4.- ¿Qué tipo de propiedades son la masa, volumen y la densidad? ¿ Por qué?5.- Explique la diferencia que existe entre densidad y concentración.6.- ¿Qué diferencia existe entre densidad absoluta, densidad relativa y peso especifico relativo? ¿Cuales son sus unidades?7.- Explique la diferencia entre un areómetro y un densímetro.8.- ¿Cómo determinaría la densidad de un sólido? Explique.

FUENTES DE INFORMACIÓN• Benson, Sydney W. (2000). “Cálculos químicos”. México. Limusa.• Castellan, W. Gilbert (1987), “Fisicoquímica”. 2ª Edición. México, Addison-WesleyIberoamericana.• Levine, Ira N. (2004), “Fisicoquímica”, Volumen 1, Quinta Edición. México, Mc Graw-Hill

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LABORATORIO DE FÍSICO-QUÍMICAPRÁCTICA 2

LEY DE BOYLE

OBJETIVOComprobar la variación del volumen de una masa gaseosa a diferentes presiones, manteniendo masas y temperaturas constantes, a través del registro de datos experimentales.

INTRODUCCIÓNLas cantidades y propiedades de los gases se encuentran en totalidad en términos de temperatura, presión y volumen que ocupan y número de moléculas presentes. El conocimiento y medición de estas propiedades es muy importante, pues son las únicas propiedades termodinámicas que pueden medirse directamente, no sólo en los gases, si no en otros estados de la materia.Las primeras relaciones cuantitativas entre las propiedades de un gas se deben a Boyle que en 1662 encontró el comportamiento de P-V a temperatura constante. Resultados similares a los de Boyle fueron encontrados por Mariotte en 1676. El descubrimiento de Boyle- Marriotte nos dice que a temperatura constante los volúmenes de una masa gaseosa están en razón inversa a las presiones a las que esta sometida, es decir que las tensiones desarrolladas por un mismo gas son inversamente proporcionales a su volumen, mientras la temperatura permanezca constante. Llamado V0 al volumen de un gas a la presión P0 y V1 al volumen del gas a la presión P1. Si la temperatura permanece constante se verifica:

De donde:P0 V0 = P1 V1 o sea que P V = Cte.

Por lo tanto el producto de la presión por el volumen de un gas es un valor constante si la temperatura se mantiene invariable.La ley de Boyle–Mariotte puede expresarse gráficamente utilizando un sistema de ejes coordenados perpendiculares, representando en el eje de las ordenadas las presiones (P) y en las abscisas los volúmenes (V). Tomando distintas presiones y volúmenes de conformidad con la ley expresada, se pueden precisar una serie de puntos que dan una curva que tiene la forma de hipérbola, cuyos extremos se aproximan indefinidamente a los ejes respectivos, como se observa en la figura 2.1.Esta ley es una ley límite, es decir que sólo la cumplen exactamente los gases perfectos, o sea aquellos cuyas moléculas tienen un volumen despreciable respecto al volumen total de los mismos y en los que la atracción recíproca de sus moléculas es indefinidamente pequeña respecto a la presión exterior.

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En un experimento típico se encierra una muestra de gas en un tubo en forma de “u”, lo que permite mantener constante su temperatura y su volumen y se registra la diferencia de altura de las dos columnas de mercurio. Esta diferencia de altura más la presión atmosférica representa la presión ejercida sobre el gas.

MATERIAL Y/O EQUIPO

• Tubo de vidrio de “U” de 3 mm de diámetro ò manguera transparente del mismo diámetro y 50cm de longitud. • Pipeta de Pasteur O Jeringa hipodérmica.• Vaso de precipitado de 100 ml

• Soporte universal• Pinzas de tres dedos• Papel milimétrico• Cinta masking-tape

SUSTANCIAS• Mercurio

PROCEDIMIENTOSellar el extremo de la rama más corta del tubo de vidrio de “U”. Colocar inicialmente una cantidad suficiente de mercurio para cubrir la parte curva del tubo en “U”.

El aire que queda atrapado en la rama corta constituye el sistema en estudio, siendo la altura de la cámara de aire (L) proporcional al volumen del mismo. Ver figura 2.2a, si la altura de la columna de mercurio en las dos ramas es la misma, la presión de aire en la cámara corresponde a la presión atmosférica; si el nivel de la rama abierta es mayor que el de la rama cerrada, la diferencia de niveles corresponde a la presión manométrica (H), como se observa en la figura 2.2b. Adherir el papel milimétrico a la pared del tubo para facilitar la toma de lectura.

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Observar el comportamiento del sistema a una presión mayor que la atmosférica, vertiendo mercurio a través de la rama abierta y apreciar que la altura de la cámara de aire se reduce al aumentar la presión. Ver figura 2.2b. Medir la altura de la cámara de aire (L) y la diferencia de niveles de mercurio (H) entre las dos ramas, auxiliándose del papel milimétrico. Repetir lo anterior en forma sucesiva, de tal manera que se obtengan varios datos de (L) y de (H). Con el diámetro del tubo y los valores de la longitud de la columna de aire se encuentra el volumen. Construir gráfica de presión absoluta vs volumen.

CUESTIONARIO

1. ¿Qué relación existe entre la presión y volumen de una masa gaseosa?2. ¿Qué es la presión absoluta y manométrica?

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3. ¿Cuál es el significado tienen una presión absoluta igual a cero y una manométrica de cero?4. Explique un manómetro de extremo abierto, diferencial y de extremo sellado.5. Describir desde el punto de vista termodinámico el fluido manométrico empleado en la práctica.

FUENTES DE INFORMACIÓN• Castellan, W. Gilbert (1987), “Fisicoquímica”. 2ª Edición. México. Addison-WesleyIberoamericana.• Felder, Richard M. y Rousseau, Ronald W., (1991), “Principios elementales de los procesos químicos”, Segunda Edición. México. Addison-Wesley.• Levine, Ira N. (2004), “Fisicoquímica”, Volumen 1, Quinta Edición. México. McGraw-Hill.

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LABORATORIO DE FÍSICOQUÍMICAPRÁCTICA 3

LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC

OBJETIVO

Comprobar las variaciones de presión, volumen y temperatura de un sistema gaseoso a masa constante, a través del registro de datos experimentales.

INTRODUCCIÓN

Los estudios de Robert Boyle sobre presión y volumen de los gases, demostraron que al calentar una muestra de gas se producía algún cambio de volumen, pero no llevó hasta el final estas observaciones.Charles en 1787 observó que el hidrógeno, aire, dióxido de carbono y oxígeno se expandían en igual proporción al calentarlos desde 0 °C a 80 °C, manteniendo la presión constante. Sin embargo, fue Gay-Lussac el primero que, en 1802, encontró que todos los gases aumentaban igual volumen por cada grado de elevación de temperatura y que el incremento era aproximadamente 1/273.3.15 el volumen del gas a 0 °C. Si se designa por Vo al volumen del gas a 0 °C y por V su volumen a T °C, entonces de acuerdo a lo anterior:

Ahora se puede definir una nueva escala de temperatura tal que para una t dada corresponda otra establecida por la relación T = 273.15 + T y 0 °C por To = 273.15, con lo cual la ecuación anterior toma una forma simple:

En general:

La ecuación anterior dice que el volumen de una cantidad definida de gas a presión constante es directamente proporcional a la temperatura, es decir: V = K2TDonde K2 es un factor de proporcionalidad determinado por la presión del gas y las unidades de V.Como para una cantidad dada de gas, K2 tendrá diferentes valores a distintas presiones, se obtiene una serie de líneas rectas para cada presión constante y cada una de ellas es una isobara, verificándose que su pendiente es mayor cuando menor es la presión.

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De acuerdo a la figura 3.1, conforme se va elevando la temperatura del un gas, este tiende a dilatarse, pero si se mantiene el volumen constante, lo que aumenta es la presión, De aquí se deduce que la presión y volumen de un gas son directamente proporcionales a la temperatura aplicada sobre él.

MATERIAL y/o EQUIPO

• Tripie • Tela de asbesto• Mechero• Soporte Universal• Pinza de tres dedos• Matraz balón de 1 lt• Termómetro• Tubo de vidrio de 3 mm de diámetro• Pinzas Mohr o de Hoffman

• Cinta masking-tape• Baño María• Agitador de vidrio• Pipeta Pasteur o jeringa hipodérmica• Tapón de hule con tres oradaciones• Sellador• Papel milimétrico

SUSTANCIAS

• Mercurio

PROCEDIMIENTO

Construir un manómetro con el tubo de vidrio de la manera siguiente:Marcar aproximadamente 80 cm de tubo de vidrio y cortarlo con una lima triangular, procurando hacer una incisión fina suficiente para iniciar una ruptura transversal que aumente al presionar y jalar con los dedos pulgares colocados debajo de la incisión. Si el tubo no se corta repetir la operación mojando la incisión. Construir un manómetro de las medidas que se muestran en la Figura 3.2, haciendo uso del mechero.

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Una vez construido el manómetro, procédase a armar el sistema siguiente:

Registrar la temperatura inicial del gas contenido en el matraz (aire). Colocar mercurio en el manómetro con la pipeta Pasteur o jeringa hipodérmica hasta que ambas ramas el nivel de mercurio coincida, de esta forma la presión inicial es la presión atmosférica del lugar donde se realiza la práctica. Adherir el manómetro el papel milimétrico y cerrar el sistema por medio de las pinzas de Mohr.Calentar lentamente y con agitación homogeneizante el agua del baño hasta alcanzar un incremento de temperatura en el termómetro de 3 a 5 grados. Registrar la temperatura y la correspondiente presión manométrica. La presión manométrica esta dada por la diferencia de altura en las ramas de mercurio del manómetro, por lo que la presión se multiplica por 2, debido a que lo que sube en una rama es lo que desciende en la otra.

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Repetir el procedimiento para obtener valores correspondientes de presión a aproximadamente diez temperaturas diferentes. El proceso de calentamiento y toma de datos hacerlo de manera sucesiva.

FUENTES DE INFORMACIÓN

• Castellan, W. Gilbert (1987), “Fisicoquímica”. 2ª Edición. México. Addison-WesleyIberoamericana.• Felder, Richard M. y Rousseau, Ronald W., (1991), “Principios elementales de los procesos químicos”, Segunda Edición. México. Addison-Wesley.• Levine, Ira N. (2004), “Fisicoquímica”, Volumen 1, Quinta Edición. México. McGraw-Hill

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LABORATORIO DE FÍSICOQUÍMICAPRÁCTICA 4

CALOR COMBUSTION

OBJETIVO

Calcular el calor de reacción de combustión de una sustancia

INTRODUCCIÓN

De acuerdo a la primera ley de la termodinámica, que indica concretamente la conservación de la energía, ya que no hay pérdida de ésta hacia los alrededores; se puede determinar la capacidad calorífica de un sistema. La capacidad calorífica es la cantidad de Energía necesaria para producir un asenso de temperatura en un grado. De ésta se puede diferenciar de procesos que se realizan a volumen constante (Cv) y a presión constante (Cp), siendo distintas en magnitud.

Los cambios térmicos en la combustión de un material se miden efectuando el proceso en forma adecuada en un calorímetro. El equivalente en agua (capacidad calorífica) del calorímetro se pude determinar multiplicando los diversos pesos de la vasija calorimétrica, por sus respectivos calores específicos; a éste producto se le suma el peso del agua de la vasija y la suma se multiplica por la elevación de la temperatura, lo resulta el calor desarrollado en la reacción. En ésta experiencia se determina la entalpía de combustión que es la energía necesaria para quemar cierta cantidad de una sustancia determinada.

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CONCEPTOS FUNDAMENTALES

MATERIALES – EQUIPOS

1 Termómetro -10 a 360ºC 1 agitador 1 soporte universal 1 envase metálico pequeño sin tapa 1 envase grande con agujeros en la parte superior y con agujeros en la tapa 1 trípode 1 placa de calentamiento

1 frasco lavador 1 pipeta 25MlBalanza digitalBalanza de brazo

REACTIVOS

Vela de ceraHieloAgua

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PROCEDIMIENTO: DIAGRAMA DE FLUJO

DATOS NECESARIOS PARA EL ANÁLISIS

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CUESTIONARIO

1. Defina los calores de reacción siguientes:• Combustión• Formación• Neutralización• Solución2. Mencione y explique las dos condiciones generales bajo las cuales se efectúan las mediciones termoquímicas.3. De acuerdo a la pregunta anterior, bajo ¿qué condición se lleva a cabo la combustión en el calorímetro de Parr. ¿Por qué?4. ¿Qué tipo de reacción se verifica en la bomba calorimétrica? ¿Cómo se da cuenta de ello? ¿Qué implica un descenso de temperatura?5. Mencione y explique otros factores de los cuales depende el calor asociado en un cambio químico.6. ¿Qué es calorimetría y termoquímica?7. ¿Qué puntos debe reunir una ecuación para una reacción para considerarla termoquímica?8. Escriba la ecuación termoquímica para la combustión completa del ácido benzoico.

FUENTES DE INFORMACIÓN

• Castellan, W. Gilbert (1987), “Fisicoquímica”. 2ª Edición. México, Addison-WesleyIberoamericana.• Felder R. M., Rousseau R. W. (1991), “Principios elementales de los procesos químicos”. 2ª Edición. México, Addison-Wesley.• Levine, Ira N. (2004), “Fisicoquímica”, Volumen 1, Quinta Edición. México. McGraw-Hill.• Smith, J.M. , Van Ness H.C. y Abbott M.M. (2003), “Introducción a la Termodinámica enIngeniería Química”, 6ª Ed. México, McGraw-Hill.

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LABORATORIO DE FÍSICOQUÍMICAPRÁCTICA 5

CALOR DIFERENCIAL DE SOLUCION

OBJETIVO

Determinar el calor diferencia o entalpia de solución de diferentes sustancias.

INTRODUCCIÓN

El calor diferencial de solución es el calor de solución de un mol de soluto en una cantidad de volumen de solución tan grande, que la adición de un mol más de soluto no cambia la concentración apreciablemente. El calor diferencial de solución depende de la concentración de la solución. No es apropiado determinar el calor diferencial de solución directamente, pero se puede calcular a partir de los datos sobre los calores integrales de solución. El calor requerido en la formación de una solución conteniendo n moles de soluto y 1Kg de solvente es n∆H, en donde ∆H es el calor integral de solución por mol de soluto. Al llevarse esta cantidad a una gráfica junto con el número de moles de soluto, la pendiente de la gráfica a cierta concentración dada será el efecto calorífico por mol de soluto o el calor diferencial de solución d(n∆H)/dn, a esa concentración.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

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MATERIALES

Vidrio de relojEspátulaTubo probetón ò probeta 80mLAgitadorBureta 25mLTermómetroVaso de precipitado 400mLSoporte universalPinza con nuezMalla de asbestoTrípode

REACTIVOS

Agua destiladaÁcido benzoico

PROCEDIMIENTO: DIAGRAMA DE FLUJO

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DATOS NECESARIOS PARA EL ANÁLISIS

Temperatura de cristalización y solubilización de la sustancia

Molalidad de la solución a determinadas temperaturas de cristalización

Tabla para la realización de la gráfica

FUENTES DE INFORMACIÓN

• Castellan, W. Gilbert (1987), “Fisicoquímica”. 2ª Edición. México, Addison-WesleyIberoamericana.• Felder R. M., Rousseau R. W. (1991), “Principios elementales de los procesos químicos”. 2ª Edición. México, Addison-Wesley.• Levine, Ira N. (2004), “Fisicoquímica”, Volumen 1, Quinta Edición. México. McGraw-Hill.• Smith, J.M. , Van Ness H.C. y Abbott M.M. (2003), “Introducción a la Termodinámica enIngeniería Química”, 6ª Ed. México, McGraw-Hill.

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