Lanthanides et Actinides : Propriétés et Applications
Contexte : Les terres rares et les transuraniens, des éléments stratégiques.
Les lanthanides (ou terres rares) et les actinides constituent le bloc f du tableau périodique. Souvent méconnus, ces éléments possèdent des propriétés électroniques, magnétiques et nucléaires uniques qui les rendent indispensables dans de nombreuses technologies de pointe : des aimants surpuissants aux écrans couleur, en passant par l'énergie nucléaire et la médecine. Comprendre leur chimie, notamment la fameuse contraction lanthanidiqueDiminution régulière du rayon atomique et ionique le long de la série des lanthanides. Ce phénomène est dû au faible effet d'écran des électrons 4f, qui entraîne une augmentation de la charge nucléaire effective ressentie par les électrons de valence. et la diversité des états d'oxydation, est fondamental pour les ingénieurs et chimistes des matériaux. Cet exercice propose de comparer un lanthanide et un actinide pour mettre en lumière leurs différences et leurs applications spécifiques.
Remarque Pédagogique : Cet exercice est une application directe de la chimie du bloc f. Nous allons utiliser des concepts de base comme la configuration électronique pour justifier des propriétés macroscopiques (rayon ionique, états d'oxydation) et les relier à des applications concrètes. C'est une démarche typique en chimie inorganique : partir de la structure de l'atome pour comprendre et prédire le comportement de la matière.
Objectifs Pédagogiques
- Établir la configuration électronique d'un lanthanide et d'un actinide.
- Justifier les états d'oxydation les plus stables en se basant sur la configuration électronique des ions.
- Expliquer l'origine de la contraction lanthanidique et son impact sur les rayons ioniques.
- Calculer le moment magnétique d'un ion lanthanide en utilisant l'approximation de spin seul.
- Relier les propriétés électroniques et nucléaires de ces éléments à leurs applications technologiques.
Données de l'étude
Position de l'Europium et de l'Américium
Propriété | Symbole | Europium (Eu) | Américium (Am) |
---|---|---|---|
Numéro Atomique | \(Z\) | 63 | 95 |
Configuration du gaz rare précédent | - | [Xe] (Z=54) | [Rn] (Z=86) |
Rayon ionique de l'ion +3 | \(r_{\text{ionique}}\) | 94.7 | 97.5 (\(\text{pm}\)) |
États d'oxydation communs | E.O. | +2, +3 | +3, +4, +5, +6 |
Constante de magnéton de Bohr | \(\mu_B\) | \(9.274 \times 10^{-24} \, \text{J} \cdot \text{T}^{-1}\) |
Questions à traiter
- Donner la configuration électronique complète de l'Europium (Eu) et de l'Américium (Am) dans leur état fondamental.
- Justifier pourquoi l'état d'oxydation +2 est particulièrement stable pour l'Europium, et +3 pour l'Américium.
- Calculer le moment magnétique de spin seul (\(\mu_s\)) pour l'ion Eu²⁺ en magnétons de Bohr (\(\mu_B\)).
- L'Américium-241 est utilisé dans les détecteurs de fumée. Sachant qu'il se désintègre en Neptunium-237 (Np, Z=93), quel type de particule est émis ? Écrire l'équation de la réaction nucléaire.
Les bases de la Chimie du Bloc f
Avant de plonger dans la correction, revoyons quelques concepts clés sur les lanthanides et actinides.
1. Configuration Électronique :
Les lanthanides remplissent la sous-couche 4f après la 6s. Leur configuration générale est \([\text{Xe}] \, 4f^n 5d^0 6s^2\) ou \([\text{Xe}] \, 4f^{n-1} 5d^1 6s^2\). Les actinides remplissent la sous-couche 5f et ont une configuration générale \([\text{Rn}] \, 5f^n 6d^0 7s^2\) ou \([\text{Rn}] \, 5f^{n-1} 6d^1 7s^2\). La stabilité particulière des sous-couches à moitié remplies (f⁷) ou entièrement remplies (f¹⁴) joue un rôle crucial.
2. Contraction Lanthanidique :
Le long de la série des lanthanides, le rayon des ions de même charge (ex: Ln³⁺) diminue progressivement. Ceci est dû au fait que les électrons 4f écrantent mal la charge du noyau. La charge nucléaire effective augmente donc, attirant plus fortement les électrons de valence et réduisant la taille de l'ion.
3. Moment Magnétique de Spin Seul :
Pour de nombreux complexes, le magnétisme provient principalement du spin des électrons non appariés. Le moment magnétique de spin seul (\(\mu_s\)) est calculé avec la formule :
\[ \mu_s = \sqrt{n(n+2)} \]
où \(n\) est le nombre d'électrons non appariés. Le résultat est exprimé en magnétons de Bohr (\(\mu_B\)).
Correction : Lanthanides et Actinides : Propriétés et Applications
Question 1 : Établir les configurations électroniques
Principe (le concept physique)
La configuration électronique décrit la répartition des électrons d'un atome dans ses différentes orbitales atomiques. Pour les éléments lourds comme les lanthanides et actinides, on utilise le principe de construction (Aufbau), qui consiste à remplir les orbitales par ordre d'énergie croissante, en respectant la règle de Hund (remplissage maximal des orbitales de même énergie avant d'apparier les électrons) et le principe d'exclusion de Pauli (deux électrons au maximum par orbitale, de spins opposés).
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Pour les éléments du bloc f, l'ordre de remplissage des orbitales peut être complexe car les niveaux d'énergie des sous-couches (n-2)f, (n-1)d et ns sont très proches. On observe des exceptions à la règle de Klechkowski, notamment pour favoriser la stabilité des sous-couches f à moitié ou entièrement remplies (f⁷ et f¹⁴).
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
La méthode la plus sûre est de partir du gaz rare précédent, de compter le nombre total d'électrons de valence à placer, et de les distribuer en priorité pour atteindre une configuration f⁷ ou f¹⁴ si possible. Pour l'Europium (Z=63), on a 63 - 54 (Xe) = 9 électrons de valence. Pour l'Américium (Z=95), on a 95 - 86 (Rn) = 9 électrons de valence également.
Normes (la référence réglementaire)
La notation des configurations électroniques suit les conventions établies par l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC), en utilisant le symbole du gaz rare précédent pour abréger la configuration du cœur de l'atome.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Il n'y a pas de formule, mais une application de règles de remplissage.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On considère les atomes dans leur état fondamental, gazeux et isolé, sans interaction externe.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Europium : \(Z=63\), gaz rare précédent [Xe] (\(Z=54\))
- Américium : \(Z=95\), gaz rare précédent [Rn] (\(Z=86\))
Astuces(Pour aller plus vite)
L'Europium et l'Américium sont les "analogues" 4f et 5f. Ils se situent tous les deux à la 7ème position de leur série respective. Cela suggère une configuration électronique similaire, visant la stabilité de la sous-couche f à moitié remplie (f⁷).
Schéma (Avant les calculs)
Orbitales de Valence à Remplir
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Pour l'Europium (Eu, Z=63), 9 électrons de valence :
2. Pour l'Américium (Am, Z=95), 9 électrons de valence :
Schéma (Après les calculs)
Stabilité de la sous-couche f⁷
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Les deux éléments adoptent une configuration avec une sous-couche f à moitié remplie (f⁷). Cette configuration confère une stabilité électronique accrue, similaire à celle des gaz rares pour la couche p ou des éléments comme le chrome et le cuivre pour la couche d. Cette stabilité va directement influencer leur chimie, en particulier leurs états d'oxydation.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
L'erreur commune est d'appliquer la règle de Klechkowski de manière trop stricte sans tenir compte de la stabilité des couches à moitié ou entièrement remplies. Pour de nombreux lanthanides et actinides, il est énergétiquement plus favorable de "promouvoir" un électron d ou de ne pas en mettre du tout pour atteindre une configuration f⁷ ou f¹⁴.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- Les configurations électroniques du bloc f sont déterminées par la stabilité des sous-couches f⁷ et f¹⁴.
- L'Europium (Eu) a la configuration \([\text{Xe}] \, 4f^7 6s^2\).
- L'Américium (Am) a la configuration \([\text{Rn}] \, 5f^7 7s^2\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
L'Europium est nommé d'après le continent européen. Il a été découvert par le chimiste français Eugène-Anatole Demarçay en 1901. Il est crucial dans la fabrication des luminophores rouges utilisés dans les écrans de télévision et les lampes fluorescentes, ce qui a permis d'obtenir des images aux couleurs vives.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Quelle est la configuration électronique du Gadolinium (Gd, Z=64), l'élément juste après l'Europium ?
Question 2 : Justifier les états d'oxydation stables
Principe (le concept physique)
L'état d'oxydation d'un atome dans un composé représente le nombre d'électrons qu'il a gagnés ou perdus. Les états d'oxydation les plus stables sont généralement ceux qui conduisent à une configuration électronique particulièrement stable pour l'ion formé, comme une sous-couche vide, à moitié remplie ou entièrement remplie.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Pour les lanthanides, l'état d'oxydation +3 est le plus courant car il correspond à la perte des deux électrons 6s et d'un électron 4f (ou 5d). Cependant, des états +2 ou +4 peuvent être stables s'ils permettent d'atteindre les configurations f⁰, f⁷ ou f¹⁴. Pour les actinides, les orbitales 5f, 6d et 7s sont plus proches en énergie, ce qui permet une plus grande variété d'états d'oxydation.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Pour trouver la configuration d'un ion, retirez d'abord les électrons des orbitales de plus grand nombre quantique principal (n). Pour Eu et Am, on retire d'abord les électrons 6s ou 7s, puis les électrons f. Ensuite, observez si la configuration de l'ion obtenu est particulièrement stable.
Normes (la référence réglementaire)
La définition des états d'oxydation et leur attribution dans les composés suivent un ensemble de règles établies par l'IUPAC pour assurer une nomenclature chimique cohérente et sans ambiguïté à l'échelle internationale.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Il s'agit d'une analyse qualitative des configurations électroniques.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On analyse la stabilité des ions en phase gazeuse, ce qui est une bonne approximation pour comprendre leur chimie en solution.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Configuration Eu : \([\text{Xe}] \, 4f^7 6s^2\)
- Configuration Am : \([\text{Rn}] \, 5f^7 7s^2\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Regardez la configuration de l'atome neutre. Si elle est déjà f⁷, la perte des électrons s (généralement 2) conduira à un ion avec une configuration f⁷ stable. C'est le cas pour l'Europium.
Schéma (Avant les calculs)
Ionisation de l'Europium
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Pour l'Europium (Eu) :
2. Pour l'Américium (Am) :
Schéma (Après les calculs)
Configurations Ioniques Stables
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La stabilité de la configuration 4f⁷ explique pourquoi l'Europium forme facilement l'ion Eu²⁺, une exception notable dans la série des lanthanides où l'état +3 domine. Pour l'Américium, bien que la perte de deux électrons conduise aussi à une configuration 5f⁷, les orbitales 5f sont plus étendues et moins stabilisées que les 4f. En pratique, en solution, l'état +3 est le plus stable pour l'Américium, même si cela correspond à une configuration 5f⁶.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne pas supposer que la stabilité d'une configuration électronique en phase gazeuse est le seul facteur déterminant la chimie en solution. Des facteurs comme l'énergie d'hydratation des ions jouent un rôle crucial. C'est pourquoi Am³⁺ (5f⁶) est plus stable en solution que Am²⁺ (5f⁷).
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La stabilité des ions est liée à celle de leur configuration électronique (f⁰, f⁷, f¹⁴).
- Eu²⁺ est stable car il a une configuration 4f⁷.
- L'état +3 est le plus courant pour les lanthanides et actinides, même si cela ne correspond pas toujours à la configuration f la plus stable.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
La transition électronique de Eu³⁺ vers Eu²⁺ est à l'origine de la luminescence rouge intense de ses composés. Cette propriété est exploitée dans les billets de banque en euros : sous une lumière UV, les motifs imprimés avec des encres à base d'europium brillent en rouge, servant de dispositif anti-contrefaçon.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
L'Ytterbium (Yb, Z=70) a pour configuration [Xe] 4f¹⁴ 6s². Quel état d'oxydation, autre que +3, sera particulièrement stable ?
Question 3 : Calculer le moment magnétique de spin seul
Principe (le concept physique)
Le magnétisme des ions des éléments de transition et du bloc f provient du mouvement de leurs électrons, qui génère un champ magnétique. Ce mouvement a deux composantes : le mouvement orbital autour du noyau et le mouvement de spin de l'électron sur lui-même. Pour de nombreux composés, la contribution du spin des électrons non appariés est prédominante. Le moment magnétique quantifie la force de cette interaction avec un champ magnétique externe.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La formule \(\mu_s = \sqrt{n(n+2)}\) est une approximation qui ne tient compte que du spin. Pour les lanthanides, la contribution orbitale n'est généralement pas négligeable, et une théorie plus complète (incluant le couplage spin-orbite) est nécessaire pour des calculs précis. Cependant, la formule de spin seul reste un excellent outil pédagogique pour estimer le magnétisme et le relier au nombre d'électrons célibataires.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
La première étape est toujours de déterminer le nombre d'électrons non appariés (\(n\)). Pour cela, il faut écrire la configuration électronique de l'ion concerné (ici Eu²⁺) et dessiner les cases quantiques de la sous-couche f en appliquant la règle de Hund : on place un électron dans chaque case avant de commencer à les apparier.
Normes (la référence réglementaire)
Le magnéton de Bohr (\(\mu_B\)) est l'unité naturelle du moment magnétique, définie par le Comité de données pour la science et la technologie (CODATA) à partir de constantes physiques fondamentales (charge de l'électron, constante de Planck, masse de l'électron).
Formule(s) (l'outil mathématique)
Moment magnétique de spin seul :
où \(n\) est le nombre d'électrons non appariés.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On néglige la contribution du moment angulaire orbital au moment magnétique total. On suppose que l'ion est dans un état de haut spin (remplissage maximal des orbitales avant appariement).
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Ion étudié : Eu²⁺
- Configuration de Eu²⁺ : \([\text{Xe}] \, 4f^7\) (de la question 2)
Astuces(Pour aller plus vite)
Pour une sous-couche f⁷, les 7 orbitales f sont chacune occupées par un seul électron. Le nombre d'électrons non appariés est donc simplement 7. Il n'y a pas besoin de dessiner les cases quantiques si on se souvient de cette règle.
Schéma (Avant les calculs)
Remplissage de la sous-couche 4f⁷ de Eu²⁺
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Déterminer le nombre d'électrons non appariés (\(n\)) :
2. Appliquer la formule de spin seul :
Schéma (Après les calculs)
Moment Magnétique de l'ion Eu²⁺
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La valeur calculée de 7.94 \(\mu_B\) est très élevée, ce qui indique que l'ion Eu²⁺ est fortement paramagnétique. Cette forte réponse à un champ magnétique est due au grand nombre d'électrons non appariés (7). Cette propriété est à la base de nombreuses applications des lanthanides en imagerie médicale (agents de contraste pour l'IRM) et dans les matériaux magnétiques.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne pas oublier la racine carrée dans la formule. Une erreur fréquente est de calculer simplement \(n(n+2)\). De plus, il faut bien identifier \(n\) comme le nombre d'électrons non appariés, et non le nombre total d'électrons f.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- Le magnétisme des ions est principalement dû aux électrons non appariés.
- La formule de spin seul est \(\mu_s = \sqrt{n(n+2)}\).
- Un grand nombre d'électrons célibataires conduit à un fort paramagnétisme.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Les aimants les plus puissants au monde sont fabriqués à partir d'alliages de Néodyme (Nd, un autre lanthanide) avec du fer et du bore (Nd₂Fe₁₄B). Leur force exceptionnelle provient des propriétés magnétiques uniques des ions Nd³⁺ (configuration 4f³) et de la structure cristalline de l'alliage qui aligne tous ces petits moments magnétiques atomiques dans la même direction.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Quel serait le moment magnétique de spin seul (en \(\mu_B\)) pour l'ion Gd³⁺ (configuration [Xe] 4f⁷) ?
Question 4 : Déterminer la particule émise par l'Am-241
Principe (le concept physique)
Une réaction nucléaire implique une transformation du noyau d'un atome. Contrairement aux réactions chimiques qui ne concernent que les électrons, les réactions nucléaires modifient le nombre de protons et/ou de neutrons. Pour qu'une équation nucléaire soit équilibrée, il doit y avoir conservation du nombre de masse total (A, nombre de nucléons) et du nombre de charge total (Z, nombre de protons).
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Les principaux types de désintégration radioactive sont :
- Alpha (\(\alpha\)) : Émission d'un noyau d'hélium (\(_2^4\text{He}\)). \(A\) diminue de 4, \(Z\) diminue de 2.
- Bêta moins (\(\beta^-\)) : Émission d'un électron (\(_{-1}^0\text{e}\)). Un neutron se transforme en proton. \(A\) est constant, \(Z\) augmente de 1.
- Bêta plus (\(\beta^+\)) : Émission d'un positron (\(_{+1}^0\text{e}\)). Un proton se transforme en neutron. \(A\) est constant, \(Z\) diminue de 1.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Pour résoudre ce type de problème, écrivez l'équation de la réaction avec le noyau père à gauche et le noyau fils plus une particule inconnue \(_Z^A\text{X}\) à droite. Appliquez ensuite les deux lois de conservation (lois de Soddy) pour trouver A et Z de la particule inconnue, ce qui permettra de l'identifier.
Normes (la référence réglementaire)
La notation des isotopes (\(_Z^A\text{X}\)) et des particules subatomiques est standardisée au niveau international pour éviter toute confusion dans les domaines de la physique nucléaire, de la chimie et de l'ingénierie.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Lois de conservation de Soddy :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose qu'une seule particule est émise lors de cette désintégration et que les lois de conservation sont strictement respectées.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Noyau père : Américium-241 (\(_{95}^{241}\text{Am}\))
- Noyau fils : Neptunium-237 (\(_{93}^{237}\text{Np}\))
Astuces(Pour aller plus vite)
Calculez simplement la différence de A et de Z entre le réactif et le produit. \(\Delta A = 241 - 237 = 4\) et \(\Delta Z = 95 - 93 = 2\). Une particule avec A=4 et Z=2 est par définition une particule alpha.
Schéma (Avant les calculs)
Processus de Désintégration
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Écrire l'équation avec la particule inconnue \(_Z^A\text{X}\) :
2. Appliquer les lois de conservation :
3. Identifier la particule :
4. Écrire l'équation complète :
Schéma (Après les calculs)
Émission d'une Particule Alpha
Réflexions (l'interprétation du résultat)
L'Américium-241 se désintègre par émission alpha. C'est cette émission de particules alpha qui est mise à profit dans les détecteurs de fumée. Les particules alpha ionisent les molécules de l'air dans une petite chambre, créant un faible courant électrique. Lorsque des particules de fumée entrent dans la chambre, elles neutralisent ces ions, interrompent le courant et déclenchent l'alarme.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne pas confondre nombre de masse (A, en haut) et numéro atomique (Z, en bas). Une inversion conduit à une identification erronée de la particule. Il faut aussi être rigoureux dans les soustractions pour déterminer A et Z de la particule émise.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- Les réactions nucléaires conservent le nombre de masse A et le nombre de charge Z.
- La désintégration alpha (\(_2^4\alpha\)) est une voie de désintégration commune pour les noyaux lourds.
- L'Am-241 est un émetteur alpha utilisé dans les détecteurs de fumée.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
L'Américium a été découvert en 1944 par Glenn T. Seaborg et son équipe à l'Université de Californie à Berkeley. Il a été nommé en l'honneur du continent américain, par analogie avec son homologue lanthanide, l'Europium, nommé d'après l'Europe. C'est un élément entièrement synthétique qui n'existe pas dans la nature.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Le Plutonium-239 (\(_{94}^{239}\text{Pu}\)) se désintègre en émettant une particule alpha. Quel est le noyau fils produit (donner son symbole et son nombre de masse) ?
Outil Interactif : Propriétés des Lanthanides
Explorez l'évolution du rayon ionique et du magnétisme le long de la série des lanthanides.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés pour l'ion Ln³⁺
Le Saviez-Vous ?
Le réacteur nucléaire naturel d'Oklo, au Gabon, a fonctionné de manière autonome il y a environ 2 milliards d'années. L'analyse des isotopes des lanthanides (comme le Néodyme) et des actinides (Uranium, Plutonium) dans le minerai a permis aux scientifiques de prouver et de comprendre ce phénomène unique, où des réactions de fission en chaîne se sont produites naturellement.
Foire Aux Questions (FAQ)
Pourquoi les lanthanides sont-ils appelés "terres rares" ?
Ce nom est historique et quelque peu trompeur. Ils ont été appelés "terres" car ils ont été initialement isolés sous forme d'oxydes, un ancien terme pour désigner des substances insolubles. Le terme "rares" vient du fait qu'ils étaient difficiles à séparer les uns des autres en raison de leurs propriétés chimiques extrêmement similaires, et non parce qu'ils sont rares dans la croûte terrestre. En réalité, certains lanthanides comme le Cérium sont plus abondants que le plomb.
Tous les actinides sont-ils radioactifs ?
Oui, tous les isotopes de tous les actinides sont radioactifs. Il n'existe aucun isotope stable pour les éléments au-delà du Bismuth (Z=83), et cela est particulièrement vrai pour les actinides. Leur instabilité nucléaire est leur caractéristique la plus marquante, menant à des applications dans l'énergie et l'armement nucléaires, mais aussi à des défis importants en matière de gestion des déchets.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. La contraction lanthanidique est principalement due à...
2. Quel élément est un actinide ?
- Contraction Lanthanidique
- Diminution régulière et prévisible du rayon des atomes et des ions des lanthanides avec l'augmentation du numéro atomique. Elle est due à l'augmentation de la charge nucléaire effective car les électrons 4f offrent un blindage inefficace.
- Éléments du bloc f
- Groupe d'éléments dont les électrons de valence les plus énergétiques occupent des orbitales de type f. Ce bloc comprend les séries des lanthanides (4f) et des actinides (5f).
- Transuraniens
- Éléments chimiques ayant un numéro atomique supérieur à 92 (celui de l'uranium). Tous les transuraniens sont des actinides, radioactifs et synthétiques (à l'exception de traces de Np et Pu).
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