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date de publication07.10.2017
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Fiche professeur


Tronc commun Term STL STI2D

Thème 

Transport

Sous-thème :

Mise en mouvement







TP. Comment Fonctionne une pile ?

Type d’activité : étude documentaire suivie d’une activité expérimentale 

Conditions de mise en œuvre : Les élèves travaillent par binôme dans une salle de TP de chimie.

Durée indicative : 2 h

Pré- requis 

  • Savoir définir : oxydant, réducteur, oxydation, réduction, couple oxydant/réducteur

  • Savoir identifier : oxydant, réducteur, oxydation, réduction, couple oxydant/réducteur

  • Ecrire une demi équation d’oxydoréduction et l’équation bilan d’une réaction d’oxydoréduction

  • Savoir brancher un ampèremètre et un voltmètre

  • Connaître le sens de circulation du courant et des porteurs de charges électriques dans un circuit



NOTIONS ET CONTENUS

COMPETENCES ATTENDUES


Transformation chimique et transfert d’énergie sous forme électrique.

Piles, accumulateurs, piles à combustibles




- Identifier l’oxydant et le réducteur mis en jeu dans une pile à partir de la polarité de la pile ou des couples oxydant/réducteur

- Ecrire les équations des réactions aux électrodes

- Expliquer le fonctionnement d’une pile





Compétences  transversales :



  • Rechercher, extraire, organiser des informations utiles de documents.

  • Communiquer à l’aide d’un langage adapté.

  • Raisonner, argumenter

  • Travailler en autonomie

  • Travailler en équipe

  • Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté.

Mots clés de recherche : pile, accumulateur, pile à combustible, transfert d’énergie, oxydation, réduction, activité expérimentale
Provenance : Académie de Strasbourg

Adresse du site académique : http://www.ac-strasbourg.fr/disciplines/physchim

Liste du matériel par binôme :


  • 3 béchers de 250 mL

  • 1 fil d'argent

  • 1 lame de fer

  • 2 lames de cuivre

  • 1 lame de plomb

  • 2 lames de zinc

  • papier à poncer

  • 2 multimètres

  • 4 pinces croco

  • 4 fils

  • 1 pont salin (gel) dans KNO3

  • 1 plaquette de bois

  • 1 résistance R = 10 Ω


Sur la paillasse du professeur :


  • solution KNO3≈ 0,1M

  • solution ZnSO4 ≈ 0,1M

  • solution CuSO4 ≈ 0,1M

  • solution AgNO3≈ 0,1M

  • solution Pb(NO3)2 ≈ 0,1M

  • solution de sel de Mohr ≈ 0,1M

  • 4 bidons de récupération




Terminale STL STI2D

Thème : Transport

Sous-thème : Mise en mouvement



Activité expérimentale :

Comment fonctionne une pile ?


Objectifs :

  • Expliquer le fonctionnement d’une pile.

  • Extraire des informations d’un texte ou d’une vidéo.

  • Ecrire des équations d’oxydoréduction


But : A partir de l’expérience historique de Volta, comprendre le fonctionnement d’une pile et réaliser diverses piles afin d’en mesurer leur f.e.m.



  1. Les origines de la première pile électrique




    1. Étude de documents


Après avoir lu le document ci-dessous et regardé la vidéo http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/video/galvani/video/galvani.php, répondre aux questions :

" La Pile Électrique


Au début de l'année 1800, habitait à CÔME un savant physicien, le Comte Alessandro VOLTA (1745-1827). Il était âgé de cinquante cinq ans.

Après avoir été professeur à 1'université de PAVIE et fait plusieurs découvertes concernant l'ELECTRICITE STATIQUE il avait voyagé pour rencontrer d'autres savants. Il avait ainsi parcouru la SUISSE, la FRANCE, l'ALLEMAGNE, les PAYS-BAS et l'ANGLETERRE.

Il venait de se retirer dans son pays natal afin de trouver le calme et poursuivre des expériences sur l'Électricité.

A l'époque où vivait VOLTA la connaissance de l'électricité n'était pas encore très développée.

Depuis Deux Mille ans on savait attirer des brins de paille ou des feuilles d'arbre d'un faible poids avec des morceaux d'AMBRE JAUNE frottés sur un tissu de laine.

L'Ambre jaune est une très belle pierre, presque transparente avec laquelle les anciens fabriquaient des bijoux.

En GREC, Ambre Jaune se dit "ELECTRON". C'est l'origine du mot ELECTRICITE.
Pour faire l'expérience, on peut aussi utiliser des baguettes de verre ou de cire à cacheter.

A partir de 1600, de nouveaux progrès avaient été accomplis et on faisait claquer des étincelles comparables, en beaucoup plus petit, à la foudre, en tournant la manivelle de l'un de ces curieux instruments appelé "MACHINE DE RAMSDEN".

Les savants cherchaient à expliquer ces phénomènes et avaient fait des observations nombreuses et très intéressantes, mais l'électricité ne donnait lieu à aucune utilisation dans la vie de tous les jours.

En ce temps, les lampes électriques n'existaient pas. On éclairait les maisons et les rues avec des chandelles ou des lampes à huile .

Pas de moteurs électriques pour actionner les usines. Pas de trains. Les hommes devaient fournir de gros efforts musculaires pour travailler et se déplacer.

Ils se faisaient aussi aider par les chevaux, les mulets ou les bœufs. Ils utilisaient également la force du vent et de l'eau des rivières pour faire tourner les moulins.

Les machines à vapeur venaient d'être inventées, mais elles étaient très peu répandues.

Pas de Téléphone, pas de Radio ni de Télévision. Les nouvelles étaient transmises par des messagers, les diligences de la poste ou par le TELEGRAPHE de Claude CHAPPE dont les ailes tournantes se voyaient en haut des tours ou des collines.

Donc au mois de Mars de cette année 1800, nous trouvons VOLTA dans son cabinet de physique. Sur une table sont déposées des pièces de monnaie en argent, des rondelles de ZINC, de CUIVRE et de Carton épais. Trois baguettes de bois sont dressées entre lesquelles le vieux savant superpose avec le plus grand soin, toujours dans le même ordre, une rondelle de cuivre, une rondelle de zinc puis une rondelle de carton très mouillé.

Il en EMPILE ainsi plus de soixante. C'est la raison pour laquelle il avait donné le nom de PILE à cet étrange appareil qu'il avait imaginé quelques mois avant.

En touchant avec les doigts et en même temps les extrémités de la colonne, il sentit à travers son corps une secousse désagréable … une secousse électrique !

Ayant fixé des fils métalliques aux rondelles du bas et du haut, il les approcha à une très faible distance. Aussitôt une petite étincelle bleue et très lumineuse jaillit.

La pile produisait donc les mêmes effets que la Machine de RAMSDEN, mais les secousses et les étincelles pouvaient être renouvelées autant de fois qu'on le désirait sans qu'il soit nécessaire de tourner continuellement la manivelle.

Le premier générateur de courant continu était né.

Cependant, Volta ne sait pas encore que l'énergie électrique de la pile provient d'une transformation chimique des métaux et que sa durée de vie est limitée.

Mais comment un homme aussi sérieux que Alexandre VOLTA en était il venu à empiler des rondelles de Cuivre sur des rondelles de Zinc ?

C'est une curieuse histoire ... une histoire de ... CUISSES DE GRENOUILLE !

Il faut remonter quinze années avant, en 1786 et à BOLOGNE, grande (Près de 500.000 habitants) et belle ville d'Italie du Nord (Entre Venise et Florence.). Son importante université fondée en 425 est la plus ancienne d'Europe.

Un célèbre professeur d'anatomie de l'université de cette ville, Luigi Galvani (1737-1798), avait eu l'idée d'expérimenter les effets de l'étincelle électrique produite par la machine de RAMSDEN sur des cadavres d'animaux.

Il avait observé que sous l'influence de la décharge, les cuisses d'une grenouille coupée en deux se rapprochaient brusquement. La bête semblait reprendre vie, comme pour sauter.

Un autre jour, alors qu'il disséquait à nouveau une grenouille il constata une contraction de ses cuisses bien qu'aucune machine électrique ne fonctionnât aux alentours.

Il suffisait qu'une tige métallique soit en contact entre l'un des nerfs lombaires (bas de la colonne vertébrale) de l'animal et le muscle de ses cuisses.

L'expérience de GALVANI fut renouvelée avec encore plus de succès en utilisant un genre de Compas, formé d'un arc en cuivre et d'un autre en Zinc.

GALVANI essaya d'expliquer le phénomène et conclut à l'existence d'une Électricité animale.

VOLTA, alors qu'il était à Côme entendit parler de l'expérience. Il s'y intéressa, travailla dans son laboratoire, mais aboutit à d'autres conclusions.

Pour lui, deux métaux différents mis en contact produisaient de l'électricité. Elle était la cause des réactions de la grenouille.

C'est pour le prouver qu'il commença à imaginer des appareils composés de plaques de métaux très divers et finit par construire la PILE que nous avons déjà vue.

VOLTA et GALVANI n'étaient pas d'accord et ils discutèrent avec passion pendant plusieurs années.

Chacun détenait une part de vérité, mais l'un et l'autre n'avaient pas encore pu tout comprendre.

Nous devons à leur esprit d'observation, à leur travail, à leur patience, à leur intelligence la découverte d'un instrument merveilleux.

La PILE fit faire des pas de géants à la SCIENCE et à l'Industrie. " Extrait d'un texte de Michel Siméon

Questions :


  1. Dans quel pays se trouvent les villes de Bologne et Pavie ?

  2. Quand et par qui a été inventée la première pile ?

  3. À quelle unité physique a-t-il laissé son nom ?

  4. Décrire la pile de Volta.

  5. Pourquoi Volta a-t-il appelé son générateur d'électricité : Pile ?

  6. Quel savant italien a influencé l’inventeur dans sa découverte sur la pile ?

  7. A quoi étaient dues les contractions musculaires des grenouilles ?

  8. Quelle différence y a-t-il entre cette première pile et les autres appareils permettant de produire de l'électricité jusqu'alors ?

  9. Comment Volta explique-t-il la production d'électricité ?

  10. En réalité, quel phénomène est à l'origine de la production de courant électrique ?

  11. Citer plusieurs inconvénients de cette pile.



    1. L' expérience de Volta




Matériel :

On dispose de :

  • 2 plaques de zinc et de 2 plaques de cuivre

  • d'une plaquette de bois absolument sèche

  • d'une solution ionique de nitrate de potassium

  • d'un voltmètre.



Mode opératoire :

Réaliser les différents empilements de 3 éléments proposés dans le tableau ci-dessous et mesurer à chaque fois la tension entre les 2 plaques externes. Compléter le tableau.


Empilement

1

2

3

4

5

6

Métal 1

zinc

cuivre

zinc

zinc

cuivre

zinc

Plaquette de bois

sèche

sèche

sèche

Imbibée d'une solution ionique

Imbibée d'une solution ionique

Imbibée d'une solution ionique

Métal 2

zinc

cuivre

cuivre

zinc

cuivre

cuivre

Tension mesurée






















Interprétation :

Quels éléments semblent nécessaires à la constitution d'une pile ?


  1. Rappel : Transfert direct d'électrons


Considérons le système constitué des espèces chimiques des couples oxydant/réducteur Zn2+(aq) / Zn(s) et Cu2+(aq) /Cu(s).


  1. Réaliser l’expérience et noter vos observations.


Observations :


Interprétation :





  1. Écrire les demi équations d’oxydoréduction qui traduisent les réactions qui ont lieu dans cette transformation chimique. Préciser leur nom.



  1. Quel est le métal qui cède les électrons ?



  1. Qui reçoit les électrons ?


  1. Préciser à quel endroit précis se fait le transfert d'électrons.


Conclusion :



Il y a un ……………………………….……………………………………..……………………………… entre …………………………et …………………..



  1. Transfert indirect d'électrons : réalisation d'une pile électrochimique

    1. Rappels d'électricité

  • Pour mesurer une intensité, on utilise un ………………………………………………………….., branché en …………………………………

  • Si l'intensité mesurée est positive alors la borne A ou mA de l'ampèremètre est reliée du côté de la borne ………….. de la pile.

  • Pour mesurer une tension, on utilise un ………………………………………………………….., branché en …………………………………….

  • Si la tension mesurée est positive alors la borne V du voltmètre est reliée à la borne ………….. de la pile.

  • Dans le circuit extérieur à la pile : - le courant circule de la borne ……………….. à la borne ……………… de la pile.

- les électrons circulent de la borne ………….. à la borne …………… de la pile.

    1. Expérience

  • Dans un bécher, verser environ 50 mL d'une solution aqueuse de sulfate de cuivre et y plonger une lame de cuivre préalablement décapée.

  • Dans un autre bécher, verser environ 50 mL d'une solution aqueuse de sulfate de zinc et y plonger une lame de zinc préalablement décapée.

  • Relier les 2 lames métalliques par un conducteur ohmique de résistance R = 10 Ω relié en série à un ampèremètre. Observer.

  • Relier les deux béchers à l'aide d'un pont salin (ses deux extrémités doivent tremper dans les deux solutions). Observer.

    • Faire un schéma légendé du dispositif expérimental :


Observations :

Conclusion :

Ce dispositif expérimental est une …………………………………………………………………. appelée :……………………………………

Cette pile est constituée de deux ………………..……………………………………… reliées entre elles par un …………………… Chaque demi pile contient l'………………………………………… et le …………………………………………….. d'un couple oxydant/réducteur :

* demi pile de gauche : couple ……………………………

* demi pile de droite : couple …………………………….



    1. Comment fonctionne une pile ?

      1. Expérience

  • Remplacer l'ampèremètre et le conducteur ohmique par un voltmètre placé entre les deux lames métalliques de la pile Daniell, mesurer la tension UPN entre les plaques de cuivre et de zinc. Relier les fils de manière à ce que la tension mesurée par le voltmètre soit positive.


UPN = ……………………………..

  • Refaire le schéma de la pile Daniell



  • Sur ce schéma :

- indiquer la position de la borne V et COM du voltmètre

-localiser les bornes + et – de la pile

- indiquer le sens de circulation des électrons



      1. Interprétation du fonctionnement de la pile

L’expérience montre que dans cette pile, la borne + correspond à la lame de ………………………… et la borne – est la lame de …………………….

Si l’on considère l’extérieur du circuit, des électrons sortent donc de la lame de ………………….. et pénètrent dans la lame de ………………………..

Réaction aux électrodes :

A la borne + : l’électrode de cuivre ………………………………………. des électrons, il s'y produit une …………………………….…

Les ions Cu2+ sont …………………………………………en …………………………………. qui se déposent sur l’électrode selon la demi équation d’oxydoréduction :

……………………………………………………………… 
A la borne - : l’électrode de zinc ……………………………….. des électrons, il se passe une …………………………….…………..

Les atomes de zinc de l'électrode sont …………………..……………….. en …………………………………… qui passent dans la solution selon la demi équation d’oxydoréduction:

……………………………………………………………… 
Il y a donc un ………………………………………………… d'…………………………………………………. entre ………….………………………………….. et ………………..…………………………………………. qui se fait par l'intermédiaire du circuit extérieur. C'est donc un transfert …………………………………………… d'électrons entre ………………………………….…………………… et ……………………….………………………. qui correspond à une réaction ………………………………………………………………..… , dont l’équation est :

…………………………………………………………………….


Remarques :

  1. Indiquer ce que l'on va observer au niveau de chaque plaque métallique au bout de plusieurs heures de fonctionnement de la pile.




  1. D'après l'équation globale de la réaction d'oxydoréduction qui a lieu dans cette pile, indiquer comment évolue la quantité d'ions Cu2+(aq) et d'ions Zn2+(aq) dans chaque bécher au cours du fonctionnement de la pile.




  1. Le pont salin (= papier ou gel imbibé d'une solution ionique de nitrate de potassium (………………… + ………………….) permet d'assurer l'électroneutralité des solutions ioniques dans chaque bécher.

Expliquer comment cela est possible.

  1. Expliquer pourquoi au bout de plusieurs heures de fonctionnement la pile ne peut plus débiter de courant.




    1. Que se passe-t-il si on modifie les électrodes de la pile ?

  • Réaliser les piles décrites dans le tableau ci-dessous en associant les demi piles correspondantes.

  • Mesurer à chaque fois la tension U PN (tension positive) de la pile correspondant à la f.e.m de la pile (c’est-à-dire la tension de la pile lorsqu’elle ne débite pas de courant).

  • Compléter le tableau :




Pile

Borne +

Borne -

UPN

(V)

Réaction à la

borne +

Réaction à la

borne -

plomb- zinc















fer-cuivre















plomb-cuivre
















cuivre- argent
















Conclusion :

A

  • Une pile est un ……………………………………………………… électrochimique : elle convertit l’énergie ……………………………. en énergie …………………………….

  • Une pile est constituée de ……………… ……………………………………………. séparées par une solution …………………… appelée …………………………………………….

  • A la borne + , il se produit une ……………………………………………………. :…………………………………………………….



  • A la borne - , il se produit une ……………………………………………………. :…………………………………………………….




  • Le bilan de la réaction de fonctionnement est …………………………………………………………………………………..




  • La f.e.m de la pile, toujours positive, correspond à la …………………………………………………………………… entre la borne …………… et la borne ………………… lorsqu’elle ne débite pas de courant.
retenir

Eléments de correction

  1. Rappel : Transfert direct d'électrons


Considérons le système constitué des espèces chimiques des couples oxydant/réducteur Zn2+(aq) / Zn(s) et Cu2+(aq) /Cu(s).


  1. Réaliser l’expérience et noter vos observations.


Observations :
Dépôt rouge de cuivre sur la lame de zinc


Interprétation :





  1. Écrire les demi équations d’oxydoréduction qui traduisent les réactions qui ont lieu dans cette transformation chimique. Préciser leur nom.


Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e- oxydation de Zn (perte d’e-)

Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s) réduction de Cu2+ (gain d’e-)


  1. Quel est le métal qui cède les électrons ?

Zn


  1. Qui reçoit les électrons ?

Cu2+


  1. Préciser à quel endroit précis se fait le transfert d'électrons.

A la surface de la lame de zinc

Conclusion :



Il y a un transfert direct d’électrons entre Zn et Cu2+



  1. Transfert indirect d'électrons : réalisation d'une pile électrochimique

    1. Rappels d'électricité

  • Pour mesurer une intensité, on utilise un ampèremère branché en série

  • Si l'intensité mesurée est positive alors la borne A ou mA de l'ampèremètre est reliée du côté de la borne + de la pile.

  • Pour mesurer une tension, on utilise un voltmètre branché en dérivation

  • Si la tension mesurée est positive alors la borne V du voltmètre est reliée à la borne + de la pile.

  • Dans le circuit extérieur à la pile : - le courant circule de la borne + à la borne - de la pile.

- les électrons circulent de la borne - à la borne + de la pile.

    1. Expérience

  • Dans un bécher, verser environ 50 mL d'une solution aqueuse de sulfate de cuivre et y plonger une lame de cuivre préalablement décapée.

  • Dans un autre bécher, verser environ 50 mL d'une solution aqueuse de sulfate de zinc et y plonger une lame de zinc préalablement décapée.

  • Relier les 2 lames métalliques par un conducteur ohmique de résistance R = 10 Ω relié en série à un ampèremètre. Observer.

  • Relier les deux béchers à l'aide d'un pont salin (ses deux extrémités doivent tremper dans les deux solutions). Observer.

    • Faire un schéma légendé du dispositif expérimental :



Observations :

Lorsqu’on relie les 2 béchers avec le pont salin, l’ampèremètre indique une intensité donc du courant circule dans le circuit

Conclusion :

Ce dispositif expérimental est une pile électrochilique appelée : pile Daniell

Cette pile est constituée de deux demis piles reliées entre elles par un pont salin. Chaque demi pile contient l'oxydant et le réducteur d'un couple oxydant/réducteur :

* demi pile de gauche : couple Zn2+(aq) / Zn(s)

* demi pile de droite : couple Cu2+(aq) /Cu(s)


    1. Comment fonctionne une pile ?

      1. Expérience

  • Remplacé l'ampèremètre et le conducteur ohmique par un voltmètre placé entre les deux lames métalliques de la pile Daniell, mesurer la tension UPN entre les plaques de cuivre et de zinc. Relier les fils de manière à ce que la tension mesurée par le voltmètre soit positive.


UPN = ……………………………..

  • Refaire le schéma de la pile Daniell




Com

V

-

+

e-


  • Sur ce schéma :

- indiquer la position de la borne V et COM du voltmètre

-localiser les bornes + et – de la pile

- indiquer le sens de circulation des électrons



      1. Interprétation du fonctionnement de la pile

L’expérience montre que dans cette pile, la borne + correspond à la lame de cuivre et la borne – est la lame de zinc

Si l’on considère l’extérieur du circuit, des électrons sortent donc de la lame de zinc et pénètrent dans la lame de cuivre

Réaction aux électrodes :

A la borne + : l’électrode de cuivre « accueille » des électrons, il s'y produit une réduction

Les ions Cu2+ sont réduits en Cu qui se déposent sur l’électrode selon la demi équation d’oxydoréduction :

Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s)

A la borne - : l’électrode de zinc perd des électrons, il se passe une oxydation

Les atomes de zinc de l'électrode sont oxydés en ions Zn2+ qui passent dans la solution selon la demi équation d’oxydoréduction:

Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e-
Il y a donc un transfert d'électrons entre la lame de zinc et les ions Cu2+qui se fait par l'intermédiaire du circuit extérieur. C'est donc un transfert indirect d'électrons entre la lame de zinc et les ions Cu2+qui correspond à une réaction d’oxydoréduction , dont l’équation est :

Zn(s) + Cu2+(aq)  Zn2+(aq) + Cu(s)

Remarques :

  1. Indiquer ce que l'on va observer au niveau de chaque plaque métallique au bout de plusieurs heures de fonctionnement de la pile.


La plaque de zinc voit sa masse diminuer

La plaque de cuivre voit sa masse augmenter


  1. D'après l'équation globale de la réaction d'oxydoréduction qui a lieu dans cette pile, indiquer comment évolue la quantité d'ions Cu2+(aq) et d'ions Zn2+(aq) dans chaque bécher au cours du fonctionnement de la pile.


La quanité d’ions Cu2+ diminue et celle de Zn2+ augmente.

  1. Le pont salin (= papier ou gel imbibée d'une solution ionique de nitrate de potassium (K+(aq) + NO3-(aq)) permet d'assurer l'électroneutralité des solutions ioniques dans chaque bécher.

Expliquer comment cela est possible.

Comme la quantité d’ions Cu2+ diminue dans le bécher de droite, le pont salin les remplace par des ions potassium K+.

Dans l’autre bécher, la quantité d’ions Zn2+ augmente donc il va manquer des ions négatifs donc le pont salin va apporter des ions négatifs NO3-

Ainsi le pont salin maintient l’électroneutralité des solutions.


  1. Expliquer pourquoi au bout de plusieurs heures de fonctionnement la pile ne peut plus débiter de courant.


La pile ne débite plus de courant car il n’y a plus d’ions Cu2+ et/ou de Zn


    1. Que se passe-t-il si on modifie les électrodes de la pile ?

  • Réaliser les piles décrites dans le tableau ci-dessous en associant les demi piles correspondantes.

  • Mesurer à chaque fois la tension U PN (tension positive) de la pile correspondant à la f.e.m de la pile (c’est-à-dire la tension de la pile lorsqu’elle ne débite pas de courant).

  • Compléter le tableau :




Pile

Borne +

Borne -

UPN

(V)

Réaction à la

borne +

Réaction à la

borne -

plomb- zinc


Pb

Zn










fer-cuivre


Cu

Fe










plomb-cuivre

Cu

Pb










cuivre- argent

Ag

Cu










Conclusion :

A la borne +, il y a toujours une réduction et à la borne – une oxydation

A

  • Une pile est un générateur électrochimique : elle convertit l’énergie chimique en énergie électrique

  • Une pile est constituée de 2 demies piles séparées par une solution ionique appelée électrolyte

  • A la borne + , il se produit une réduction : ox + ne- = red



  • A la borne - , il se produit une oxydation : red = ox + ne-




  • Le bilan de la réaction de fonctionnement est une réaction d’oxydoréduction




  • La f.e.m de la pile, toujours positive, correspond à la tension entre la borne + et la borne - lorsqu’elle ne débite pas de courant.
retenir

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