(完整word版)物理化学第6章可逆电池电动势习题及答案概要.pdf

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1、第六章可逆电池电动势6.1 本章学习要求1掌握可逆电池、可逆电极的类型、电极电势标准态、电动势、Nernst 公式及其应用;2掌握可逆电池热力学,可逆电池电动势的测定方法及其在化学、生命体系及土壤体系等领域中的应用;3了解 pe、pH-电势图和生化标准电极电势。6.2 内容概要6.2.1 可逆电池1.可逆电池(reversible cell)的条件:电池在充、放电时发生的反应必须为可逆反应;电池充、放电时的能量转换必须可逆,即通过电池的电流无限小,无热功转化。2.可逆电极的类型(1)金属电极由金属浸在含有该金属离子的溶液中构成,包括汞齐电极。如Zn 电极Zn(s)ZnSO4(aq)电极电势(e

2、lectrode potential)Zn/Zn=-ln (2)气体电极由惰性金属(通常用Pt 或 Au 为导电体)插入某气体及其离子溶液中构成的电极,如氢电极,Pt,H2(p)H(a H)电极电势=-ln (3)金属难溶盐电极将金属表面覆盖一薄层该金属的难溶盐,浸入含有该难溶盐的负离子的溶液中构成。如银-氯化银电极,Ag(s),AgCl(s)Cl(aCl)电极电势AgCl,Ag,Cl=-ln aCl (4)氧化还原电极由惰性金属(如Pt 片)插入某种元素两种不同氧化态的离子溶液中构成电极,如Sn、Sn 电极,Pt(s)Sn(a),Sn(a)电极电势=-ln3.电池表示法电池的书面表示所采用的

3、规则:负极写在左方,进行氧化反应(是阳极),正极写在右方,进行还原反应(是阴极);组成电池的物质用化学式表示,并注明电极的状态;气体要注明分压和依附的不活泼金属,温度,所用的电解质溶液的活度等,如不写明,则指298K,p,a=1;用单垂线“”表示接触界面,用双垂线“”表示盐桥(salt bridge);在书写电极和电池反应时必须遵守物料平衡和电荷平衡。6.2.2 电极电势1.标准氢电极(standard hydrogen electrode)用镀铂黑的铂片插入氢离子活度为1的溶液中,用标准压力的干燥氢气不断冲击到铂电极上所构成的电极,规定其电极电势为零。2.电极电势把标准氢电极作为负极与给定电

4、极构成电池,测出的电池电动势作为给定电极的电势,标准还原电极电势表上的值都是对标准氢电极的相对值。3.Nernst 公式对于任意给定的一个电极,其电极还原反应写成如下通式氧化态+ne 还原态或Ox+ne Red 电极电势 =-ln=+ln若将电极写成一般形式a A+d D+ne g G+h H 电极电势 =-ln 可逆电池电动势(electromotive force)为E=-E=-6.2.3 可逆电池热力学(rGm)T,P =W max(rGm)T,P =-nFE如果电池两极的各种反应物均处于标准态,则rG=-nFE若可逆电池反应为a A+d D g G+h H 可得 Nernst 方程E=

5、E-ln E=ln K文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T

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12、消法进行测定,而不能用Volt 计或万用电表直接测定。2.标准电池电位差计中所用的标准电池(standard cell),其电动势必须精确已知,且能保持恒定。常用的是饱和Weston(韦斯顿)标准电池。温度对其电池电动势影响很小,E与温度的关系可由下式表示E=1.01845-4.0510(T-293)-9.510(T-293)+110(T-293)3.电动势测定的应用通过测定电动势,可获得电化学体系的很多性质,如用于判断反应趋势;计算氧化还原反应、配位反应等的平衡常数;求微溶盐的溶解度和溶度积;求算弱电解质溶液的解离度和解离常数;计算热力学函数的改变量rGm、rHm、rSm等;测定溶液的 pH

13、 值;计算离子的活度和活度系数,电极电势,土壤和生命体系的氧化还原电势;从液接电势求离子的迁移数;确定离子价态以及电势滴定等。6.2.5 电子活度及pH-电势图1.电子活度pe 电极反应:氧化态+ne 还原态达平衡时K=ae称为电子活度(electron activity),其值反映了体系氧化还原性的强弱。用pe 表示电子活度的负对数,pe=-lg ae,并定义pe=lg Kpe=pe-lg 298K 时,/V=0.05916 pe /V=0.05916 pe 当还原态活度与氧化态活度相等时pe=pe。pe越小时,体系的电子活度越大,提供电子的趋势越大,还原性越大,电极电势越低,否则相反。pe

14、 数值计算得到,不能由实验测定。2.电势-pH 图及应用在温度和浓度恒定时,电极电势只与溶液的pH 值有关,电极电文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编

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21、为 =-lg+lg a在 298K 时 =-lg-m pH 如果电极反应是在pH 固定的条件下进行,则pH 与 合并令其为,则 =-lg 称为生化标准电极电势,是在氧化态和还原态物质活度均为1,pH 值固定条件下电极反应的电极电势。pH 值不同时,也不同。生理反应和一些土壤中的反应是在近中性条件下进行的,所以在生命体系和土壤科学中,经常用到pH=7.00 时的 值。生物体内的氧化还原体系可以引发一系列的氧化还原反应,反应能否自发进行,可根据计算确定,或通过测定电池电动势确定。测定生物组织液的氧化还原电势,可以用来研究一些生理和病理现象。电池电动势的测定还用于土壤的氧化还原状况的研究以及生物体呼

22、吸链的研究。2.膜电势在生物化学上,常用下式表示膜电势(membrane potential)=内-外=ln因为生命体中溶液不是处于平衡状态,故不能测得准确值。目前膜电势在工业生产、医药科学和生命体中的应用很多,如应用心电图(electrocardiogram,略作 ECG)判断心脏工作是否正常,脑电图(electroencephalogram)可以了解大脑中神经细胞的电活性等。6.3 例题和习题解答例 6.1有一氧化还原反应Ag(s)+Fe(a Fe)Fe(aFe)+Ag(aAg),在 298K 时,(Ag/Ag)=0.7991V,(Fe/Fe)=-0.440V,(Fe/Fe)=-0.036

23、V,(1)将上述反应设计成电池;(2)计算电池的电动势,已知:m(Fe)=1 mol kg,文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8

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30、aFe)电池反应:Ag(s)+Fe(a Fe)Ag(aAg)+Fe(aFe)(2)Fe(a Fe3+)+3e Fe(s)rG(1)=-3(Fe/Fe)?F Fe(aFe2+)+2e Fe(s)rG(2)=-2 (Fe/Fe)?F Fe(a Fe3+)+e Fe(aFe2+)rG(3)=-(Fe/Fe)?F rG(3)=rG(1)-rG(2)-(Fe/Fe)=-3(Fe/Fe)-2(Fe/Fe)(Fe/Fe)=3(Fe/Fe)-2 (Fe/Fe)=3(-0.036V)-2(-0.440V)=0.772 V E=-=E-ln=E-ln(aAg aFe/a Fe)=(Fe/Fe)-(Ag/Ag)-l

31、n=0.772 V-0.7991V-28.314 J K mol298K/96485 C mol ln(0.01)=-0.0271 V+0.0118V=0.09V 例 6.2已知电池Pt(s),H2(p)H2SO4(0.01mol kg)O2(p),Pt(s),H2O(l)的标准生成焓为-285.830kJ mol,标准生成Gibbs 自由能为-237.129 kJ mol,试计算上述电池在298.15K 时的电动势和温度系数。解:负极(氧化反应):H2(p)2H(aH)+2e 正极(还原反应):1/2O2(p)+2H(aH)+2e H2O(l)电池反应:H2(p)+1/2O 2(p)H2O(

32、l)所以rGm=fG,HO(l)=-237.129 kJ mol 文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D

33、5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC

34、8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D

35、5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC

36、8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D

37、5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC

38、8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1又(rGm)T,P =-nFE故E=-=-(-237.129 kJ mol)/(296485 C mol)=1.229V 由式rHm=-nFE+nFT()p得()p=+=1.229V/298.15K +(-285.830kJ mol)/(296485 C mol298.15K)=-8.46 1

39、0V K 例 6.3在 298.15K 时,已知=0.80V,=1.09V,AgBr(s)的溶度积Ksp=4.57 10,试设计电池,计算298.15K 时 AgBr(s)的标准生成Gibbs 自由能 f G。解:AgBr(s)的溶解反应AgBr(s)Ag(aAg)+Br(aBr)设计成电池Ag(s)Ag(aAg)Br(aBr)AgBr(s),Ag(s)负极(氧化反应):Ag(s)Ag(aAg)+e 正极(还原反应):AgBr(s)+e Ag(s)+Br(aBr)电池反应:AgBr(s)Ag(aAg)+Br(aBr)E=-=ln Ksp所以=+ln Ksp=0.80V+8.314 J K mo

40、l298.15K/(1 96485 C mol)ln(4.57 10)=0.07V AgBr(s)的生成反应Ag(s)+1/2Br2(l)AgBr(s)设计成电池Ag(s),AgBr(s)Br(aBr)Br2(l),Pt(s)负极(氧化反应):Ag(s)+Br(aBr)AgBr(s)+e 正极(还原反应):1/2Br2(l)+e Br(aBr)电池反应:Ag(s)+1/2Br2(l)AgBr(s)E=-=1.09V-0.07V=1.02V文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C

41、1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD

42、6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C

43、1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD

44、6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C

45、1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD

46、6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C

47、1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1fG(298.15K)=rG(298.15K)=-nF E=-196485 C mol1.02V=-98.41 kJ mol 例 6.4 已知 298K 时电池:Au(s),AuI(s)HI(m)H2(p),Pt;(1)写出电池反应和电极反应;(2)当 m=10mol kg 时,E=-0.97V;当 m=3.0 mol kg,E=-0.41V。计算 3.0 mol kgHI 溶液的离子平均活度系数。解:(1)负极(氧化反应):Au(s)+I(a)AuI(s)+e 正极(还原反应):H(a)+e 1/2H2(p)电

48、池反应Au(s)+HI(a)AuI(s)+1/2H2(p)(2)=()m=mE=E-RT/F ln1/a(HI)=-+0.05916V lg=-+20.05916V lg(/m)=-+20.05916V lg(m/m)m=10mol kg 时,1;-0.97V=-+20.05916V lg10 m=3.0 mol kg 时,-0.41V=-+20.05916V lg(3)解上述两式得=1.81 例 6.5计算下列电池在298K 时的电动势(1)Pt,H2(p)HCl(m)H2(0.5p),Pt;(2)Ag(s)AgNO3(0.01mol kg,=0.90)AgNO3(0.1mol kg,=0.

49、72)Ag(s)解:(1)该电池为无液体接界的浓差电池负极(氧化反应):H2(p)2H(aH)+2e 正极(还原反应):2H(aH)+2e H2(p)电池反应H2(p)H2(p)电池电动势E=-=E-RT/2F ln p/pE=0.05916V/2 lg p/p=0.05916/2lg p/0.5p=0.0089V(2)该电池为用盐桥消除液体接界电势的浓差电池文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C

50、1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD6Z4Q6A9D5 ZW6Q5Z3U9C1文档编码:CC8T6I5M8B8 HD

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