रासायनिक कैनेटीक्स: कारक, प्रतिक्रिया और अनुप्रयोगों का क्रम - रसायन विज्ञान - 2025

रासायनिक गतिकी प्रतिक्रिया दरों का अध्ययन है। गणितीय समीकरणों द्वारा व्यक्त कानूनों के माध्यम से आणविक तंत्र पर प्रयोगात्मक या सैद्धांतिक डेटा को कम करें। यांत्रिकी में चरणों की एक श्रृंखला होती है, जिनमें से कुछ तेज़ होती हैं और कुछ धीमी होती हैं।

इनमें से सबसे धीमी गति को निर्धारित करने वाला कदम कहा जाता है। इसलिए, मध्यवर्ती प्रजातियों और इस कदम के संचालन तंत्र को जानना गतिज शब्दों में बहुत महत्वपूर्ण है। उपरोक्त में से एक दृश्य यह मान लेना है कि अभिकर्मकों को एक बोतल में संलग्न किया जाता है और जब प्रतिक्रिया होती है, तो उत्पाद बाहर की ओर भाग जाते हैं।

अंत में, उत्पाद बिना काइनेटिक बाधाओं के बिना बोतल के मुंह से स्वतंत्र रूप से निकलते हैं। इस दृष्टिकोण से, कई आकारों और डिजाइनों की बोतलें हैं। हालांकि, उन सभी में एक तत्व समान है: एक संकीर्ण गर्दन, प्रतिक्रिया का निर्णायक चरण का एक संकेतक।

रासायनिक कैनेटीक्स क्या अध्ययन करता है?

प्रायोगिक रूप से, रसायन विज्ञान की यह शाखा एक विशिष्ट संपत्ति की माप के आधार पर, एक रासायनिक प्रतिक्रिया में शामिल एकाग्रता भिन्नताओं का अध्ययन करती है।

रासायनिक कैनेटीक्स सभी सूचनाओं के अध्ययन के प्रभारी रसायन विज्ञान की शाखा है जो एक प्रतिक्रिया की गति से प्राप्त की जा सकती है। इसका नाम आपको एक पॉकेट घड़ी की कल्पना करने के लिए आमंत्रित करता है जो एक प्रक्रिया के समय को चिह्नित करती है, चाहे वह कहीं भी हो: एक रिएक्टर में, एक बादल में, एक नदी में, मानव शरीर में, आदि।

सभी रासायनिक प्रतिक्रियाओं, और इसलिए सभी परिवर्तन में थर्मोडायनामिक, संतुलन और गतिज पहलू होते हैं। ऊष्मप्रवैगिकी संकेत देती है कि कोई प्रतिक्रिया सहज है या नहीं; संतुलन की इसकी मात्रा की मात्रा; और कैनेटीक्स उन स्थितियों को कहते हैं जो इसकी गति के साथ-साथ इसके तंत्र के बारे में डेटा का पक्ष लेते हैं।

रासायनिक कैनेटीक्स के कई आवश्यक पहलुओं को रोजमर्रा की जिंदगी में देखा जा सकता है: रेफ्रिजरेटर में, जो भोजन को खराब कर देता है, जो इसका हिस्सा है, पानी को फ्रीज करके इसके खराब होने को कम करता है। इसके अलावा, वाइन की परिपक्वता में, जिसकी उम्र बढ़ने से इसके सुखद स्वाद मिलते हैं।

हालांकि, "अणुओं का समय" अपने छोटे पैमानों में बहुत भिन्न होता है, और कई कारकों (संख्याओं और प्रकारों के बांड, आकार, पदार्थ की स्थिति, आदि) के अनुसार बहुत भिन्न होता है।

क्योंकि समय ही जीवन है, और यह पैसा भी है, यह जानते हुए कि कौन से चर एक रासायनिक प्रतिक्रिया को जितनी जल्दी हो सके आगे बढ़ने की अनुमति देते हैं, उतना ही महत्वपूर्ण है। हालांकि, कभी-कभी विपरीत वांछित होता है: कि प्रतिक्रिया बहुत धीरे-धीरे होती है, खासकर अगर यह एक्ज़ोथिर्मिक है और विस्फोट के जोखिम हैं।

ये चर क्या हैं? कुछ भौतिक हैं, जैसे कि एक रिएक्टर या सिस्टम को किस दबाव या तापमान पर होना चाहिए; और अन्य रासायनिक हैं, जैसे विलायक, पीएच, लवणता, आणविक संरचना आदि।

हालांकि, इन चरों को खोजने से पहले, हमें पहले वर्तमान प्रतिक्रिया के कैनेटीक्स का अध्ययन करना चाहिए।

कैसे? एकाग्रता की भिन्नता के माध्यम से, जिसका पालन किया जा सकता है यदि कोई विशेष गुण जो पहले के आनुपातिक है, को निर्धारित किया जाता है। पूरे इतिहास में, तरीके अधिक परिष्कृत हो गए हैं, जिससे अधिक सटीक और सटीक माप की अनुमति मिलती है, और तेजी से छोटे अंतराल के साथ।

प्रतिक्रिया की गति

रासायनिक प्रतिक्रिया की गति निर्धारित करने के लिए, यह जानना आवश्यक है कि किसी भी प्रजाति के समय के दौरान एकाग्रता कैसे भिन्न होती है। यह गति कई कारकों पर बहुत हद तक निर्भर करती है, लेकिन सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि यह उन प्रतिक्रियाओं के लिए औसत दर्जे का है जो "धीरे-धीरे" होती हैं।

यहां "धीरे-धीरे" शब्द सापेक्ष है और हर उस चीज के लिए परिभाषित किया जाता है जिसे उपलब्ध इंस्ट्रूमेंटल तकनीकों से मापा जा सकता है। यदि, उदाहरण के लिए, प्रतिक्रिया उपकरण की माप क्षमता की तुलना में बहुत तेज है, तो यह मात्रात्मक नहीं होगा और इसके कैनेटीक्स का अध्ययन नहीं किया जा सकता है।

फिर, संतुलन के पहुंचने से पहले किसी भी प्रक्रिया की दहलीज पर प्रतिक्रिया दर निर्धारित की जाती है। क्यों? क्योंकि संतुलन में आगे की प्रतिक्रिया (उत्पाद गठन) की गति और रिवर्स प्रतिक्रिया (अभिकारक गठन) समान हैं।

सिस्टम पर कार्य करने वाले चरों को नियंत्रित करके, और इसके फलस्वरूप, इसके कैनेटीक्स या प्रतिक्रिया की गति, आदर्श स्थितियों को सबसे वांछित और सुरक्षित समय में एक निश्चित मात्रा में उत्पाद बनाने के लिए चुना जा सकता है।

दूसरी ओर, यह ज्ञान आणविक तंत्र को प्रकट करता है, जो प्रतिक्रिया की उपज को बढ़ाते समय मूल्यवान है।

परिभाषा

समय की क्रिया के रूप में वेग एक परिमाण का परिवर्तन है। इन अध्ययनों के लिए, ब्याज घंटे और मिनट के रूप में एकाग्रता की भिन्नता निर्धारित करने में निहित है; नैनो, पिको या फेमटोसेकंड (10 ^-15 एस)।

इसकी कई इकाइयाँ हो सकती हैं, लेकिन सभी में सबसे सरल और आसान है M · s ^-1, या जो mol / L · s के बराबर है। इसकी इकाइयों के बावजूद, इसका हमेशा एक सकारात्मक मूल्य होना चाहिए, क्योंकि यह एक भौतिक मात्रा है (जैसे आयाम या द्रव्यमान)।

हालांकि, सम्मेलन द्वारा एक अभिकारक के लिए गायब होने की दर एक नकारात्मक संकेत है, और एक उत्पाद के लिए उपस्थिति के सकारात्मक संकेत हैं।

लेकिन अगर अभिकारकों और उत्पादों की अपनी गति है, तो समग्र प्रतिक्रिया दर का निर्धारण कैसे करें? जवाब stoichiometric गुणांक में है।

सामान्य समीकरण

निम्नलिखित रासायनिक समीकरण A और B की प्रतिक्रिया को C और D बनाता है:

ए + बी बी => सी सी + डी डी

मोलर सांद्रता आमतौर पर वर्ग कोष्ठक में व्यक्त की जाती है, इसलिए, उदाहरण के लिए, प्रजातियों ए की एकाग्रता को लिखा जाता है। इस प्रकार, शामिल प्रत्येक रासायनिक प्रजाति के लिए प्रतिक्रिया दर है:

गणितीय समीकरण के अनुसार, प्रतिक्रिया की गति तक पहुंचने के लिए चार मार्ग हैं: किसी भी अभिकारक (ए या बी) या उत्पादों (सी या डी) की एकाग्रता में भिन्नता को मापा जाता है।

फिर, इन मूल्यों में से एक के साथ, और इसके सही stoichiometric गुणांक, बाद से विभाजित और इस तरह प्रतिक्रिया दर xxn प्राप्त करते हैं।

चूंकि प्रतिक्रिया दर एक सकारात्मक मात्रा है, इसलिए नकारात्मक संकेत अभिकर्मकों के नकारात्मक दर मूल्यों को गुणा करता है; इस कारण से गुणांक a और b को (-1) से गुणा किया जाता है।

उदाहरण के लिए, यदि ए के गायब होने की दर है - (5M / s), और इसके स्टोइकोमीट्रिक गुणांक a 2 है, तो दर rxn 2.5M / s ((-1/2) x 5) के बराबर है।

मिठाई का उदाहरण

यदि उत्पाद एक मिठाई था, तो सादृश्य द्वारा सामग्री अभिकर्मकों होगी; और रासायनिक समीकरण, नुस्खा:

7 कुकीज़ + 3 ब्राउनीज़ + 1 आइसक्रीम => 1 मिठाई

और मिठाई सामग्री में से प्रत्येक के लिए गति, और मिठाई ही हैं:

इस प्रकार, जिस गति से मिठाई बनाई जाती है, उसे कुकीज़, ब्राउनी, आइसक्रीम या सेट में से किसी एक की भिन्नता के साथ निर्धारित किया जा सकता है; फिर इसे अपने स्टोइकोमेट्रिक गुणांक (7, 3, 1 और 1) से विभाजित करना। हालांकि, मार्गों में से एक दूसरे की तुलना में आसान हो सकता है।

उदाहरण के लिए, यदि आप मापते हैं कि यह अलग-अलग समय अंतराल पर कैसे बढ़ता है, तो ये माप जटिल हो सकते हैं।

दूसरी ओर, यह मापने के लिए अधिक सुविधाजनक और व्यावहारिक हो सकता है, उनकी संख्या या उनके कुछ गुणों के कारण जो भूरा या आइसक्रीम की तुलना में उनकी एकाग्रता को निर्धारित करना आसान बनाते हैं।

इसे कैसे निर्धारित किया जाए

सरल प्रतिक्रिया A => B को देखते हुए, यदि A, उदाहरण के लिए, जलीय घोल में, हरे रंग का रंग प्रदर्शित करता है, तो यह उसकी एकाग्रता पर निर्भर करता है। इस प्रकार, जैसा कि बी बन जाता है, हरा रंग गायब हो जाता है, और यदि यह गायब हो जाता है, तो एक बनाम टी वक्र प्राप्त किया जा सकता है।

दूसरी ओर, यदि बी एक अम्लीय प्रजाति है, तो समाधान का पीएच 7 से नीचे के मूल्यों पर गिर जाएगा। इस प्रकार, पीएच में कमी से, ग्राफ बनाम टी लगातार प्राप्त होता है। फिर दोनों ग्राफ़ को सुपरइम्पोज़ करके हम कुछ इस तरह देख सकते हैं:

ग्राफ दिखाता है कि यह समय के साथ कैसे घटता है, क्योंकि इसका सेवन किया जाता है, और एक सकारात्मक ढलान के साथ वक्र कैसे बढ़ता है क्योंकि यह उत्पाद है।

यह भी देखा जा सकता है कि यह शून्य (यदि कोई संतुलन नहीं है) के लिए जाता है और यह stoichiometry द्वारा शासित अधिकतम मान तक पहुंचता है और यदि प्रतिक्रिया पूर्ण होती है (सभी ए का सेवन होता है)।

ए और बी दोनों की प्रतिक्रिया दर इन वक्रों में से किसी पर स्पर्शरेखा रेखा है; दूसरे शब्दों में, व्युत्पन्न।

रिएक्शन दर को प्रभावित करने वाले कारक

रासायनिक प्रजातियों की प्रकृति

यदि सभी रासायनिक प्रतिक्रियाएं तात्कालिक थीं, तो उनके गतिज अध्ययन मौजूद नहीं होंगे। कई की गति इतनी अधिक है कि उन्हें मापा नहीं जा सकता; यह है, वे औसत दर्जे का नहीं है।

इस प्रकार, आयनों के बीच प्रतिक्रिया आमतौर पर बहुत तेज और पूर्ण होती है (लगभग 100% उपज के साथ)। दूसरी ओर, कार्बनिक यौगिकों को शामिल करने वालों को कुछ समय की आवश्यकता होती है। पहले प्रकार की प्रतिक्रिया है:

एच ₂ एसओ ₄ + ₂ एनओओएच => ना ₂ एसओ ₄ + 2 एच ₂ ओ

आयनों के बीच मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन पानी और सोडियम सल्फेट के तेजी से गठन का पक्ष लेते हैं। इसके बजाय, दूसरे प्रकार की प्रतिक्रिया है, उदाहरण के लिए, एसिटिक एसिड का एस्टरिफिकेशन:

सीएच ₃ कोह + सीएच ₃ सीएच ₂ ओएच => सीएच ₃ कोच ₂ सीएच ₃ + एच ₂ ओ

हालांकि पानी भी बनता है, प्रतिक्रिया तात्कालिक नहीं है; अनुकूल परिस्थितियों में भी, इसे पूरा करने में कई घंटे लगते हैं।

हालांकि, अन्य चर प्रतिक्रिया की गति पर अधिक प्रभाव डालते हैं: अभिकारकों की एकाग्रता, तापमान, दबाव और उत्प्रेरक की उपस्थिति।

अभिकर्मक एकाग्रता

रासायनिक कैनेटीक्स में अनन्तता से अलग किए गए अध्ययन को अंतरिक्ष कहा जाता है। उदाहरण के लिए, एक रिएक्टर, एक बीकर, एक फ्लास्क, एक बादल, एक तारा, आदि को अध्ययन के तहत प्रणाली के रूप में माना जा सकता है।

इस प्रकार, सिस्टम के भीतर अणु स्थिर नहीं होते हैं, बल्कि इसके सभी कोनों में "यात्रा" करते हैं। इन विस्थापनों में से कुछ में यह वापस उछाल या उत्पादों का उत्पादन करने के लिए एक और अणु से टकराता है।

फिर टक्करों की संख्या अभिकारकों की सांद्रता के समानुपाती होती है। ऊपर दी गई छवि बताती है कि सिस्टम कम से उच्च सांद्रता में कैसे बदलता है।

इसके अलावा, अधिक टक्करें होती हैं, दो अणुओं की प्रतिक्रिया बढ़ने की संभावना के रूप में प्रतिक्रिया दर जितनी अधिक होती है।

यदि अभिकारक गैसीय हैं, तो दबाव चर को संभाला जाता है और यह कई मौजूदा समीकरणों (जैसे कि आदर्श गैस के रूप में) में से किसी को मानते हुए गैस एकाग्रता से संबंधित है; या, गैसीय अणुओं के टकराने की संभावना को बढ़ाने के लिए सिस्टम की मात्रा कम हो जाती है।

तापमान

यद्यपि टकराव की संख्या बढ़ जाती है, सभी अणुओं में प्रक्रिया की सक्रियता ऊर्जा को पार करने के लिए आवश्यक ऊर्जा नहीं होती है।

यह वह जगह है जहां तापमान एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है: यह अणुओं को तेजी से थर्मल करने का कार्य करता है ताकि वे अधिक ऊर्जा से टकराएं।

इस प्रकार, सिस्टम तापमान में प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि के लिए प्रतिक्रिया दर आम तौर पर दोगुनी हो जाती है। हालांकि, सभी प्रतिक्रियाओं के लिए यह हमेशा मामला नहीं होता है। इस वृद्धि की भविष्यवाणी कैसे करें? Arrhenius समीकरण प्रश्न का उत्तर देता है:

d (lnK) / dT = E / (RT ²)

K तापमान T पर स्थिर है, R गैस स्थिर है और E सक्रियण ऊर्जा है। यह ऊर्जा ऊर्जा अवरोधक का संकेत है जो अभिकारकों को प्रतिक्रिया करने के लिए पैमाने पर होना चाहिए।

गतिज अध्ययन को पूरा करने के लिए, तापमान को स्थिर और उत्प्रेरक के बिना रखना आवश्यक है। उत्प्रेरक क्या हैं? वे बाहरी प्रजातियां हैं जो प्रतिक्रिया में भाग लेती हैं लेकिन खपत नहीं होती हैं, और यह सक्रियण ऊर्जा को कम करती है।

ऊपर की छवि ऑक्सीजन के साथ ग्लूकोज की प्रतिक्रिया के लिए कटैलिसीस की अवधारणा को दर्शाती है। लाल रेखा एंजाइम (जैविक उत्प्रेरक) के बिना सक्रियण ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करती है, जबकि इसके साथ, नीले रंग की रेखा सक्रियण ऊर्जा में कमी दिखाती है।

रासायनिक कैनेटीक्स में प्रतिक्रिया क्रम

एक रासायनिक समीकरण में, प्रतिक्रिया तंत्र से संबंधित स्टोइकोमेट्रिक सूचक समान के क्रम के सूचकांकों के बराबर नहीं होते हैं। रासायनिक प्रतिक्रियाओं में आमतौर पर पहले या दूसरे क्रम होते हैं, शायद ही कभी तीसरे क्रम या उच्चतर।

यह किस लिए है? क्योंकि तीन ऊर्जावान उत्तेजित अणुओं की टक्कर की संभावना नहीं है, और चतुष्कोणीय या क्विंटुपल टक्कर और भी अधिक हैं, जहां संभावना असीम है। आंशिक प्रतिक्रिया के आदेश भी संभव हैं। उदाहरण के लिए:

एनएच ₄ सीएल <=> एनएच ₃ + एचसीएल

प्रतिक्रिया एक दिशा में पहला क्रम है (बाएं से दाएं) और दूसरे क्रम में दूसरे से (दाएं से बाएं) यदि इसे एक संतुलन माना जाता है। जबकि निम्नलिखित संतुलन दोनों दिशाओं में दूसरा क्रम है:

2HI <=> H ₂ + I ₂

आणविकता और प्रतिक्रिया समान हैं? नहीं। आणविक अणुओं की संख्या है जो उत्पादों का उत्पादन करने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं, और समग्र प्रतिक्रिया क्रम दर-निर्धारण चरण में शामिल अभिकारकों का एक ही क्रम है।

2KMnO ₄ + 10KI + 8H ₂ SO ₄ => 2MnSO ₄ + 5I ₂ + 6K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O

यह प्रतिक्रिया उच्च stoichiometric सूचकांक (आणविक) होने के बावजूद, वास्तव में एक दूसरे क्रम की प्रतिक्रिया है। दूसरे शब्दों में, गति का निर्धारण करने वाला चरण दूसरा क्रम है।

शून्य आदेश प्रतिक्रियाएं

वे विषम प्रतिक्रियाओं के मामले में होते हैं। उदाहरण के लिए: एक तरल और एक ठोस के बीच। इस प्रकार, गति अभिकारकों की सांद्रता से स्वतंत्र है।

इसी तरह, यदि किसी अभिकारक के पास शून्य का प्रतिक्रिया क्रम है, तो इसका अर्थ है कि यह निर्धारित गति चरण में नहीं, बल्कि तीव्र गति से भाग ले रहा है।

पहली प्रतिक्रिया

ए => बी

प्रथम-क्रम प्रतिक्रिया निम्न दर कानून द्वारा शासित होती है:

वी = के

यदि ए की एकाग्रता दोगुनी हो जाती है, तो प्रतिक्रिया दर वी दोगुनी हो जाती है। इसलिए, प्रतिक्रिया के निर्धारण चरण में अभिकर्मक की एकाग्रता के लिए दर आनुपातिक है।

दूसरा आदेश प्रतिक्रिया

2 ए => बी

ए + बी => सी

इस तरह की प्रतिक्रिया में दो प्रजातियां शामिल हैं, जैसे कि दो रासायनिक समीकरणों में सिर्फ लिखा गया है। प्रतिक्रियाओं के लिए गति कानून हैं:

वी = के ²

वी = के

पहले में, प्रतिक्रिया की गति A की सांद्रता के वर्ग के समानुपाती होती है, जबकि दूसरे में, पहले-क्रम की प्रतिक्रियाओं की तरह ही होती है: गति सीधे A और B दोनों की सांद्रता के समानुपाती होती है।

प्रतिक्रिया क्रम बनाम आणविकता

पिछले उदाहरण के अनुसार, stoichiometric गुणांक प्रतिक्रिया के आदेशों के साथ मेल खा सकता है या नहीं।

हालांकि, यह मौलिक प्रतिक्रियाओं के लिए होता है, जो एक प्रतिक्रिया में किसी भी कदम के आणविक तंत्र को निर्धारित करते हैं। इन प्रतिक्रियाओं में गुणांक भाग लेने वाले अणुओं की संख्या के बराबर हैं।

उदाहरण के लिए, A का एक अणु, C के अ के साथ प्रतिक्रिया करता है। C का एक अणु बनाता है। यहाँ पर अभिकारकों के लिए आणविकता 1 है और इसलिए दर कानून की अभिव्यक्ति में वे प्रतिक्रिया के क्रम से मेल खाते हैं।

इससे यह निम्नानुसार है कि आणविकता हमेशा पूर्णांक होनी चाहिए, और संभावित रूप से, चार से कम।

क्यों? क्योंकि एक तंत्र के पारित होने में यह बहुत कम संभावना है कि एक ही समय में चार अणु भाग लेते हैं; उनमें से दो पहले प्रतिक्रिया कर सकते थे, और फिर शेष दो इस उत्पाद के साथ प्रतिक्रिया करेंगे।

गणितीय रूप से यह प्रतिक्रिया के आदेशों और आणविकता के बीच मुख्य अंतरों में से एक है: एक प्रतिक्रिया क्रम आंशिक मान (1/2, 5/2, आदि) ले सकता है।

ऐसा इसलिए है क्योंकि पूर्व केवल यह दर्शाता है कि प्रजातियों की एकाग्रता गति को कैसे प्रभावित करती है, लेकिन यह नहीं कि प्रक्रिया में उनके अणु कैसे हस्तक्षेप करते हैं।

अनुप्रयोग

- यह उस समय को निर्धारित करने की अनुमति देता है जब एक दवा शरीर में अपने पूर्ण चयापचय से पहले रहती है। इसी तरह, गतिज अध्ययन के लिए धन्यवाद, एंजाइमैटिक कटैलिसीस को नकारात्मक पर्यावरणीय प्रभावों के साथ अन्य उत्प्रेरक की तुलना में हरी विधियों के रूप में पालन किया जा सकता है; या असंख्य औद्योगिक प्रक्रियाओं में भी इस्तेमाल किया जा सकता है।

- मोटर वाहन उद्योग में, विशेष रूप से इंजन के भीतर, जहां वाहन शुरू करने के लिए विद्युत प्रतिक्रियाओं को जल्दी से बाहर किया जाना चाहिए। इसके एग्जॉस्ट पाइप में भी, जिसमें हानिकारक गैसों CO, NO और NO _x को CO ₂, H ₂ O, N ₂ और O _{2 में} बदलने के लिए उत्प्रेरक कन्वर्टर्स हैं ।

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-इसके पीछे की प्रतिक्रिया यह है कि जब वाहन टकराते हैं तो एयरबैग क्यों बढ़ते हैं, 'एयरबैग'। जब टायर कठोर हो जाते हैं, तो एक डिटेक्टर विद्युत रूप से सोडियम एजाइड, NaN _{3 का} विस्फोट करता है । यह अभिकर्मक एन _{2 को} रिहा कर "विस्फोट" करता है, जो बैग की पूरी मात्रा को जल्दी से कब्जा कर लेता है।

धातु सोडियम तब इसे निष्क्रिय करने के लिए अन्य घटकों के साथ प्रतिक्रिया करता है, क्योंकि इसकी शुद्ध अवस्था में यह जहरीला होता है।

संदर्भ

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