2.3: Estrutura atômica e simbolismo

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Objetivos de

Escreva e interprete símbolos que retratam o número atômico, o número de massa e a carga de um átomo ou íon
Defina a unidade de massa atômica e a massa atômica média
Calcule a massa atômica média e a abundância isotópica

O desenvolvimento da teoria atômica moderna revelou muito sobre a estrutura interna dos átomos. Aprendeu-se que um átomo contém um núcleo muito pequeno composto por prótons carregados positivamente e nêutrons não carregados, cercado por um volume muito maior de espaço contendo elétrons carregados negativamente. O núcleo contém a maior parte da massa de um átomo porque prótons e nêutrons são muito mais pesados que elétrons, enquanto os elétrons ocupam quase todo o volume de um átomo. O diâmetro de um átomo é da ordem de 10 ⁻¹⁰ m, enquanto o diâmetro do núcleo é aproximadamente 10 ⁻¹⁵ m — cerca de 100.000 vezes menor. Para uma perspectiva sobre seus tamanhos relativos, considere o seguinte: se o núcleo fosse do tamanho de um mirtilo, o átomo teria aproximadamente o tamanho de um estádio de futebol (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Se um átomo pudesse ser expandido até o tamanho de um estádio de futebol, o núcleo seria do tamanho de um único mirtilo. (meio de crédito: modificação da obra de “babyknight” /Wikimedia Commons; direito de crédito: modificação da obra de Paxson Woelber).

Os átomos — e os prótons, nêutrons e elétrons que os compõem — são extremamente pequenos. Por exemplo, um átomo de carbono pesa menos de 2\(\times\) 10 ⁻²³ g e um elétron tem uma carga menor que 2\(\times\) 10 ⁻¹⁹ C (coulomb). Ao descrever as propriedades de objetos minúsculos, como átomos, usamos unidades de medida apropriadamente pequenas, como a unidade de massa atômica (amu) e a unidade fundamental de carga (e). O amu foi originalmente definido com base no hidrogênio, o elemento mais leve, e posteriormente em termos de oxigênio. Desde 1961, foi definido em relação ao isótopo de carbono mais abundante, cujos átomos recebem massas de exatamente 12 amu. (Esse isótopo é conhecido como “carbono-12”, como será discutido posteriormente neste módulo.) Assim, um amu tem exatamente\(1/12\) a massa de um átomo de carbono-12:1 amu = 1,6605\(\times\) 10 ⁻²⁴ g. (O Dalton (Da) e a unidade unificada de massa atômica (u) são unidades alternativas que são equivalentes ao amu.) A unidade fundamental de carga (também chamada de carga elementar) é igual à magnitude da carga de um elétron (e) com e = 1,602\(\times\) 10 ⁻¹⁹ C.

Um próton tem uma massa de 1.0073 amu e uma carga de 1+. Um nêutron é uma partícula um pouco mais pesada com massa de 1.0087 amu e carga zero; como o nome sugere, é neutra. O elétron tem uma carga de 1− e é uma partícula muito mais leve com uma massa de cerca de 0,00055 amu (seriam necessários cerca de 1800 elétrons para igualar a massa de um próton). As propriedades dessas partículas fundamentais estão resumidas na Tabela\(\PageIndex{1}\). (Um estudante observador pode notar que a soma das partículas subatômicas de um átomo não é igual à massa real do átomo: a massa total de seis prótons, seis nêutrons e seis elétrons é 12.0993 amu, um pouco maior que os 12,00 amu de um átomo real de carbono-12. Essa massa “ausente” é conhecida como defeito de massa e você aprenderá sobre ela no capítulo sobre química nuclear.)

Tabela\(\PageIndex{1}\): Propriedades das partículas subatômicas
Nome	Localização	Carga (C)	Carga unitária	Missa (amu)	Massa (g)
elétron	núcleo externo	\(−1.602 \times 10^{−19}\)	1−	0,00055	\(0.00091 \times 10^{−24}\)
próton	núcleo	\(1.602 \times 10^{−19}\)	1+	1,00727	\(1.67262 \times 10^{−24}\)
nêutron	núcleo	0	0	1.00866	\(1.67493 \times10^{−24}\)

O número de prótons no núcleo de um átomo é seu número atômico (\(Z\)). Essa é a característica definidora de um elemento: seu valor determina a identidade do átomo. Por exemplo, qualquer átomo que contém seis prótons é o elemento carbono e tem o número atômico 6, independentemente de quantos nêutrons ou elétrons ele possa ter. Um átomo neutro deve conter o mesmo número de cargas positivas e negativas, então o número de prótons é igual ao número de elétrons. Portanto, o número atômico também indica o número de elétrons em um átomo. O número total de prótons e nêutrons em um átomo é chamado de número de massa (A). O número de nêutrons é, portanto, a diferença entre o número de massa e o número atômico: A — Z = número de nêutrons.

\ [\ begin {align*}
\ ce {atomic\: número\ :( Z)\: &=\ :número\: de\: prótons\\
massa\: número\ :( A)\: &=\ :número\: de\: prótons + número\: de\: nêutrons\\
A-Z\: &=\ :número\: de\: nêutrons}
\ end {align*}\ nonumber\]

Os átomos são eletricamente neutros se contiverem o mesmo número de prótons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Quando os números dessas partículas subatômicas não são iguais, o átomo é carregado eletricamente e é chamado de íon. A carga de um átomo é definida da seguinte forma:

Carga atômica = número de prótons − número de elétrons

Como será discutido com mais detalhes posteriormente neste capítulo, átomos (e moléculas) normalmente adquirem carga ganhando ou perdendo elétrons. Um átomo que ganha um ou mais elétrons exibirá uma carga negativa e é chamado de ânion. Átomos carregados positivamente chamados cátions são formados quando um átomo perde um ou mais elétrons. Por exemplo, um átomo de sódio neutro (Z = 11) tem 11 elétrons. Se esse átomo perder um elétron, ele se tornará um cátion com uma carga 1+ (11 − 10 = 1+). Um átomo de oxigênio neutro (Z = 8) tem oito elétrons e, se ganhar dois elétrons, se tornará um ânion com carga 2− (8 − 10 = 2−).

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Composition of an Atom

O iodo é um oligoelemento essencial em nossa dieta; é necessário para produzir o hormônio tireoidiano. O iodo insuficiente na dieta pode levar ao desenvolvimento de um bócio, um aumento da glândula tireoidea (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) O iodo insuficiente na dieta pode causar um aumento da glândula tireoide chamado bócio. (b) A adição de pequenas quantidades de iodo ao sal, que impede a formação de bócio, ajudou a eliminar essa preocupação nos EUA, onde o consumo de sal é alto. (crédito a: modificação da obra de “Almazi” /Wikimedia Commons; crédito b: modificação da obra de Mike Mozart)

A adição de pequenas quantidades de iodo ao sal de mesa (sal iodado) eliminou essencialmente esse problema de saúde nos Estados Unidos, mas até 40% da população mundial ainda corre o risco de deficiência de iodo. Os átomos de iodo são adicionados como ânions, e cada um tem uma carga de 1 e um número de massa de 127. Determine o número de prótons, nêutrons e elétrons em um desses ânions de iodo.

Solução

O número atômico de iodo (53) nos diz que um átomo de iodo neutro contém 53 prótons em seu núcleo e 53 elétrons fora de seu núcleo. Como a soma dos números de prótons e nêutrons é igual ao número de massa, 127, o número de nêutrons é 74 (127 − 53 = 74). Como o iodo é adicionado como um ânion 1−, o número de elétrons é 54 [53 — (1—) = 54].

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Um íon de platina tem um número de massa de 195 e contém 74 elétrons. Quantos prótons e nêutrons ele contém e qual é sua carga?

Resposta: 78 prótons; 117 nêutrons; a carga é 4+

Símbolos químicos

Um símbolo químico é uma abreviatura que usamos para indicar um elemento ou átomo de um elemento. Por exemplo, o símbolo do mercúrio é Hg (Figura\(\PageIndex{3}\)). Usamos o mesmo símbolo para indicar um átomo de mercúrio (domínio microscópico) ou para rotular um recipiente de muitos átomos do elemento mercúrio (domínio macroscópico).

Um frasco é mostrado com uma pequena quantidade de mercúrio líquido. — Figura\(\PageIndex{3}\): O símbolo Hg representa o elemento mercúrio independentemente da quantidade; pode representar um átomo de mercúrio ou uma grande quantidade de mercúrio. da Wikipedia (usuário: Materialscientist).

Os símbolos de vários elementos comuns e seus átomos estão listados na Tabela\(\PageIndex{2}\). Alguns símbolos são derivados do nome comum do elemento; outros são abreviações do nome em outro idioma. Os símbolos têm uma ou duas letras, por exemplo, H para hidrogênio e Cl para cloro. Para evitar confusão com outras notações, somente a primeira letra de um símbolo é maiúscula. Por exemplo, Co é o símbolo do elemento cobalto, mas CO é a notação para o composto monóxido de carbono, que contém átomos dos elementos carbono (C) e oxigênio (O). Todos os elementos conhecidos e seus símbolos estão na tabela periódica.

Tabela\(\PageIndex{2}\): Alguns elementos comuns e seus símbolos
Elemento	Símbolo	Elemento	Símbolo
alumínio	Al	ferro	Fe (de ferrum)
bromo	Br	liderar	Pb (de plumbum)
cálcio	Ca	magnésio	Mg
carbono	C	mercúrio	Hg (de hidrargyrum)
cloro	Cl	azoto	N
cromo	Cr	oxigênio	O
cobalto	Co	potássio	K (de kalium)
cobre	Cuprum (de cuprum)	silício	Si
flúor	F	prata	Ag (de argentum)
ouro	Au (de aurum)	sódio	Na (de satrium)
hélio	Ele	enxofre	S
hidrogênio	H	estanho	Sn (de stannum)
iodo	EU	zinco	Zn

Tradicionalmente, o descobridor (ou descobridores) de um novo elemento nomeia o elemento. No entanto, até que o nome seja reconhecido pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), o nome recomendado do novo elemento é baseado na (s) palavra (s) latina (s) para seu número atômico. Por exemplo, o elemento 106 foi chamado unnilhexium (Unh), o elemento 107 foi chamado unnilseptium (Uns) e o elemento 108 foi chamado unniloctium (Uno) por vários anos. Esses elementos agora têm o nome de cientistas ou locais; por exemplo, o elemento 106 agora é conhecido como seaborgium (Sg) em homenagem a Glenn Seaborg, um ganhador do Prêmio Nobel que foi ativo na descoberta de vários elementos pesados.

Isótopos

O símbolo de um isótopo específico de qualquer elemento é escrito colocando o número da massa como um sobrescrito à esquerda do símbolo do elemento (Figura\(\PageIndex{4}\)). O número atômico às vezes é escrito como um subscrito antes do símbolo, mas como esse número define a identidade do elemento, assim como seu símbolo, ele geralmente é omitido. Por exemplo, o magnésio existe como uma mistura de três isótopos, cada um com um número atômico de 12 e com números de massa de 24, 25 e 26, respectivamente. Esses isótopos podem ser identificados como ²⁴ Mg, ²⁵ Mg e ²⁶ Mg. Esses símbolos de isótopos são lidos como “elemento, número de massa” e podem ser simbolizados de acordo com essa leitura. Por exemplo, ²⁴ Mg é lido como “magnésio 24” e pode ser escrito como “magnésio-24” ou “Mg-24”. ²⁵ Mg é lido como “magnésio 25” e pode ser escrito como “magnésio-25” ou “Mg-25”. Todos os átomos de magnésio têm 12 prótons em seu núcleo. Eles diferem apenas porque um átomo de ²⁴ Mg tem 12 nêutrons em seu núcleo, um átomo de ²⁵ Mg tem 13 nêutrons e um de ²⁶ Mg tem 14 nêutrons.

Figura\(\PageIndex{4}\): O símbolo de um átomo indica o elemento por meio de seu símbolo usual de duas letras, o número de massa como sobrescrito à esquerda, o número atômico como subscrito esquerdo (às vezes omitido) e a carga como sobrescrito à direita.

Informações sobre os isótopos naturais de elementos com números atômicos de 1 a 10 são fornecidas na Tabela\(\PageIndex{2}\). Observe que, além dos nomes e símbolos padrão, os isótopos de hidrogênio são frequentemente referidos usando nomes comuns e símbolos associados. O hidrogênio-2, simbolizado ² H, também é chamado de deutério e às vezes simbolizado D. O hidrogênio-3, simbolizado ³ H, também é chamado de trítio e às vezes simbolizado T.

Tabela\(\PageIndex{2}\): Composições nucleares de átomos de elementos muito leves
Elemento	Símbolo	Número atômico	Número de prótons	Número de nêutrons	Missa (amu)	% Abundância natural
hidrogênio	\(\ce{^1_1H}\) (prócio)	1	1	0	1.0078	99,989
	\(\ce{^2_1H}\) (deutério)	1	1	1	2.0141	0,0115
	\(\ce{^3_1H}\) (trítio)	1	1	2	3.01605	— (traço)
hélio	\(\ce{^3_2He}\)	2	2	1	3.01603	0,00013
hélio	\(\ce{^4_2He}\)	2	2	2	4.0026	100
lítio	\(\ce{^6_3Li}\)	3	3	3	6.0151	7.59
lítio	\(\ce{^7_3Li}\)	3	3	4	7.0160	92,41
berílio	\(\ce{^9_4Be}\)	4	4	5	9.0122	100
boro	\(\ce{^{10}_5B}\)	5	5	5	10.0129	19,9
boro	\(\ce{^{11}_5B}\)	5	5	6	11.0093	80.1
carbono	\(\ce{^{12}_6C}\)	6	6	6	12.000	98,89
	\(\ce{^{13}_6C}\)	6	6	7	13.0034	1,11
	\(\ce{^{14}_6C}\)	6	6	8	14.0032	— (traço)
nitrogênio	\(\ce{^{14}_7N}\)	7	7	7	14.0031	99,63
nitrogênio	\(\ce{^{15}_7N}\)	7	7	8	15.0001	0,37
oxigênio	\(\ce{^{16}_8O}\)	8	8	8	15.9949	99.757
	\(\ce{^{17}_8O}\)	8	8	9	16.991	0,038
	\(\ce{^{18}_8O}\)	8	8	10	17.992	0,205
flúor	\(\ce{^{19}_9F}\)	9	9	10	18.9984	100
néon	\(\ce{^{20}_{10}Ne}\)	10	10	10	19.9924	90,48
	\(\ce{^{21}_{10}Ne}\)	10	10	11	20.9938	0,27
	\(\ce{^{22}_{10}Ne}\)	10	10	12	21.9914	9,25

Massa atômica

Como cada próton e cada nêutron contribuem com aproximadamente um amu para a massa de um átomo, e cada elétron contribui muito menos, a massa atômica de um único átomo é aproximadamente igual ao seu número de massa (um número inteiro). No entanto, as massas médias dos átomos da maioria dos elementos não são números inteiros porque a maioria dos elementos existe naturalmente como misturas de dois ou mais isótopos.

A massa de um elemento mostrada em uma tabela periódica ou listada em uma tabela de massas atômicas é uma massa média ponderada de todos os isótopos presentes em uma amostra natural desse elemento. Isso é igual à soma da massa de cada isótopo individual multiplicada por sua abundância fracionária.

\[\mathrm{average\: mass}=\sum_{i}(\mathrm{fractional\: abundance\times isotopic\: mass})_i \nonumber \]

Por exemplo, o elemento boro é composto por dois isótopos: cerca de 19,9% de todos os átomos de boro são ¹⁰ B com uma massa de 10,0129 amu, e os 80,1% restantes são ¹¹ B com uma massa de 11,0093 amu. A massa atômica média do boro é calculada para ser:

\ [\ begin {align*}
\ textrm {massa média de boro} &=\ mathrm {(0,199\ times10.0129\: amu) + (0,801\ times11.0093\: amu)}\\ &=\ mathrm {1,99\: amu+8,82\: amu}\\
&=\ mathrm {10,81\: amu}\\ &=\ mathrm {10,81\: amu}\\ &=\ mathrm {10,81\: amu}\\
&=\ mathrm {10,81\: amu}
\\ &=}\ end {align*}\ nonumber\]

É importante entender que nenhum átomo de boro pesa exatamente 10,8 amu; 10,8 amu é a massa média de todos os átomos de boro e átomos de boro individuais pesam aproximadamente 10 amu ou 11 amu.

Exemplo\(\PageIndex{2}\): Calculation of Average Atomic Mass

Um meteorito encontrado no centro de Indiana contém traços do gás nobre néon captado do vento solar durante a viagem do meteorito pelo sistema solar. A análise de uma amostra do gás mostrou que ela consistia em 91,84% ²⁰ Ne (massa 19,9924 amu), 0,47% ²¹ Ne (massa 20,9940 amu) e 7,69% ²² Ne (massa 21,9914 amu). Qual é a massa média do néon no vento solar?

Solução em

\ [\ begin {align*}
\ mathrm {média\: massa} &=\ mathrm {(0,9184\ times19.9924\: amu) + (0,0047\ vezes 20.9940\: amu) + (0,0769\ times21.9914\: amu)}\\
&=\ mathrm {(18,36+0,099+1,69)\ :am u}\\
&=\ mathrm {20.15\: amu}
\ end {align*}\ nonumber\]

A massa média de um átomo de néon no vento solar é 20,15 amu. (A massa média de um átomo de néon terrestre é 20.1796 amu. Esse resultado demonstra que podemos encontrar pequenas diferenças na abundância natural dos isótopos, dependendo de sua origem.)

Exercício\(\PageIndex{2}\)

Verificou-se que uma amostra de magnésio contém 78,70% de átomos de ²⁴ Mg (massa 23,98 amu), 10,13% de átomos de ²⁵ Mg (massa 24,99 amu) e 11,17% de átomos de ²⁶ Mg (massa 25,98 amu). Calcule a massa média de um átomo de Mg.

Responda: 24,31 amu

Também podemos fazer variações desse tipo de cálculo, conforme mostrado no próximo exemplo.

Exemplo\(\PageIndex{3}\): Calculation of Percent Abundance

O cloro de ocorrência natural consiste em ³⁵ Cl (massa 34,96885 amu) e ³⁷ Cl (massa 36,96590 amu), com uma massa média de 35,453 amu. Qual é a composição percentual do Cl em termos desses dois isótopos?

Solução

A massa média de cloro é a fração que é ³⁵ Cl vezes a massa de ³⁵ Cl mais a fração que é ³⁷ Cl vezes a massa de ³⁷ Cl.

\[\mathrm{average\: mass=(fraction\: of\: ^{35}Cl\times mass\: of\: ^{35}Cl)+(fraction\: of\: ^{37}Cl\times mass\: of\: ^{37}Cl)} \nonumber \]

Se deixarmos x representar a fração que é ³⁵ Cl, então a fração que é ³⁷ Cl é representada por 1,00 − x.

(A fração que é ³⁵ Cl + a fração que é ³⁷ Cl deve somar 1, então a fração de ³⁷ Cl deve ser igual a 1,00 − a fração de ³⁵ Cl.)

Substituindo isso na equação de massa média, temos:

\ [\ begin {align*}
\ mathrm {35.453\: amu} & =( x\ times 34,96885\:\ ce {amu}) + [(1,00-x)\ times 36,96590\:\ ce {amu}]\\
35,453 &=34,96885x+36,96590-36,96590x\\
1,99990x 705x &=1,513\\
x&=\ dfrac {1,513} {1,99705} =0,7576
\ end {alinhamento*}\ número\]

Então, a solução rende: x = 0,7576, o que significa que 1,00 − 0,7576 = 0,2424. Portanto, o cloro consiste em 75,76% ³⁵ Cl e 24,24% ³⁷ Cl.

Exercício\(\PageIndex{3}\)

O cobre de ocorrência natural consiste em ⁶³ Cu (massa 62,9296 amu) e ⁶⁵ Cu (massa 64,9278 amu), com uma massa média de 63,546 amu. Qual é a composição percentual do Cu em termos desses dois isótopos?

Responda: 69,15% Cu-63 e 30,85% Cu-65

Figura\(\PageIndex{5}\): A análise do zircônio em um espectrômetro de massa produz um espectro de massa com picos mostrando os diferentes isótopos de Zr.

A ocorrência e a abundância natural dos isótopos podem ser determinadas experimentalmente usando um instrumento chamado espectrômetro de massa. A espectrometria de massa (MS) é amplamente usada em química, perícia, medicina, ciências ambientais e muitos outros campos para analisar e ajudar a identificar as substâncias em uma amostra de material. Em um espectrômetro de massa típico (Figura\(\PageIndex{5}\)), a amostra é vaporizada e exposta a um feixe de elétrons de alta energia que faz com que os átomos (ou moléculas) da amostra sejam carregados eletricamente, normalmente perdendo um ou mais elétrons. Esses cátions então passam por um campo elétrico ou magnético (variável) que desvia o caminho de cada cátion em uma extensão que depende de sua massa e carga (semelhante a como o caminho de um grande rolamento de esferas de aço passando por um ímã é desviado em menor grau do que o de um pequeno BB de aço). Os íons são detectados e um gráfico do número relativo de íons gerados versus suas relações massa/carga (um espectro de massa) é feito. A altura de cada feição vertical ou pico em um espectro de massa é proporcional à fração de cátions com a relação massa/carga especificada. Desde seu uso inicial durante o desenvolvimento da teoria atômica moderna, o MS evoluiu para se tornar uma ferramenta poderosa para análise química em uma ampla gama de aplicações.

Vídeo\(\PageIndex{1}\): Assista a este vídeo da Royal Society for Chemistry para uma breve descrição dos rudimentos da espectrometria de massa.

Resumo

Um átomo consiste em um núcleo pequeno, com carga positiva, cercado por elétrons. O núcleo contém prótons e nêutrons; seu diâmetro é cerca de 100.000 vezes menor que o do átomo. A massa de um átomo é geralmente expressa em unidades de massa atômica (amu), chamadas de massa atômica. Um amu é definido exatamente\(1/12\) como a massa de um átomo de carbono-12 e é igual a 1,6605\(\times\) 10 ⁻²⁴ g.

Os prótons são partículas relativamente pesadas com uma carga de 1+ e uma massa de 1.0073 amu. Os nêutrons são partículas relativamente pesadas sem carga e com uma massa de 1.0087 amu. Os elétrons são partículas leves com uma carga de 1− e uma massa de 0,00055 amu. O número de prótons no núcleo é chamado de número atômico (Z) e é a propriedade que define a identidade elementar de um átomo. A soma dos números de prótons e nêutrons no núcleo é chamada de número de massa e, expressa em amu, é aproximadamente igual à massa do átomo. Um átomo é neutro quando contém números iguais de elétrons e prótons.

Isótopos de um elemento são átomos com o mesmo número atômico, mas números de massa diferentes; os isótopos de um elemento, portanto, diferem entre si apenas no número de nêutrons dentro do núcleo. Quando um elemento natural é composto por vários isótopos, a massa atômica do elemento representa a média das massas dos isótopos envolvidos. Um símbolo químico identifica os átomos em uma substância usando símbolos, que são abreviações de uma, duas ou três letras para os átomos.

Equações chave

\(\mathrm{average\: mass}=\sum_{i}(\mathrm{fractional\: abundance \times isotopic\: mass})_i\)

Glossário

ânion: átomo ou molécula carregada negativamente (contém mais elétrons do que prótons)

massa atômica: massa média de átomos de um elemento, expressa em amu

unidade de massa atômica (amu): (também, unidade de massa atômica unificada, u ou Dalton, Da) unidade de massa igual à massa\(\dfrac{1}{12}\) de um átomo de ¹² C

número atômico (Z): número de prótons no núcleo de um átomo

catião: átomo ou molécula com carga positiva (contém menos elétrons do que prótons)

símbolo químico: abreviatura de uma, duas ou três letras usada para representar um elemento ou seus átomos

Dalton (pai): unidade alternativa equivalente à unidade de massa atômica

unidade fundamental de carga: (também chamada de carga elementar) é igual à magnitude da carga de um elétron (e) com e = 1,602\(\times\) 10 ⁻¹⁹ C

íon: átomo ou molécula carregada eletricamente (contém números desiguais de prótons e elétrons)

número de massa (A): soma dos números de nêutrons e prótons no núcleo de um átomo
unidade de massa atômica unificada (u): unidade alternativa equivalente à unidade de massa atômica

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