Einführung in die Allgemeine Chemie (Modul AC1)

Einführung in die Allgemeine Chemie (Modul AC1)
Wintersemester 2010/11, Prof. R. Krämer
Vorlesungsinhalte in Stichworten
als Orientierungshilfe für die Prüfungsvorbereitung
Diese Stichwortsammlung erhebt keinen Anspruch auf Richtigkeit und Vollständigkeit
(alle Angaben ohne Gewähr). Prüfungsrelevant ist die Vorlesung !
Lehrbuchempfehlungen:
„Chemie“, Charles E. Mortimer, Ulrich Müller, Thieme-Verlag, 9. Auflage (2007),
ISBN 978-3-13-484309-5
(Für Chemie im Hauptfach und Nebenfach)
„Anorganische Chemie“, Erwin Riedel, Verlag Walter de Gruyter, 6. Auflage (2004),
ISBN 3-11-018168-1
(Für Chemie im Hauptfach)
Frühere Klausuren mit Musterlösungen:
http://www.aci.uni-heidelberg.de/aci_sub/Klausuren%20Grundvorlesung.htm
Gliederung der Vorlesung
Kapitel 1: Atome
Kapitel 2: Periodensystem
Kapitel 3: Chemische Bindung
Kapitel 4: Chemische Gleichungen
Kapitel 5: Gase
Kapitel 6: Flüssigkeiten und Lösungen
Kapitel 7: Thermodynamik, Kinetik, Gleichgewichte
Kapitel 8: Säuren und Basen
Kapitel 9: Redoxreaktionen und Elektrochemie
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Kapitel 1: Atome
1.1 Atomkerne
(Chemie/Mortimer Kap. 2, S. 15-24)
Rutherfordscher Streuversuch (mit Zeichnung erläutern können), Masse des Protons
und Neutrons in atomaren Masseneinheiten (u), was ist eine „relative Atommasse“,
Ladung Proton/Neutron/Elektron (in Elementarladungen), was ist die „Ordnungszahl“,
was ist der „Massendefekt“, Einsteinsche Formel, Definition „Isotope“, Schreibweise
von Isotopen, Kenntnis wichtiger Isotope (Elemente H, C), was ist Radioaktivität, drei
wichtigste Arten radioaktiver Strahlung definieren können, Formel für Verlauf des
radioaktiven Zerfalls (Teilchenzahl N als Funktion der Zeit t), Definition Halbwertszeit,
Altersbestimmungen mit 14C-Methode erläutern können, (Uran)Kernspaltung im
Kontext Atomkraftwerk/Atombombe, Medizinische Anwendungen von Radioisotopen
erläutern können (131I, 99Tc).
Größenordnungen
Atomgröße, Massenverhältnis Proton/Elektron
1.2 Elektronenhülle
(Chemie/Mortimer Kap. 6, S. 59-78)
Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz elektromagnetischer
Strahlung, was ist „weißes“ Licht? Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts?
Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und Farbe von Stoffen erläutern können
(Warum ist die Zitrone gelb?), Wieso zeigen energetisch angeregte
Wasserstoffatome ein Linienspektrum?, Formel zur Interpretation dieses
Linienspektrums, Plancksche Gleichung, photoelektrischen Effekt erläutern können,
Moseleysches Gesetz (Formel), was ist die K(alpha)-Linie im Röntgenspektrum? was
ist die Heisenbergsche Unschärferelation (Formel)? de Broglie-Beziehung (Elektron
als Welle), Schrödingergleichung, Wellenfunktion, Energieeigenwert, was sind
Orbitale?, Radiale Aufenthaltswahrscheinlichkeit skizzieren können für 1s und 2sOrbital des Wasserstoffatoms, was ist die Hauptquantenzahl, Nebenquantenzahl,
Magnetquantenzahl? Räumliche Gestalt von 1s, 2p und 3d-Orbitalen skizzieren
können,
was
ist
die
Spinquantenzahl?
Energieniveauschema
eines
Mehrelektronensystems skizzieren können von 1s bis 4p-Orbital, Pauli-Prinzip
Größenordnungen
Wie viele Meter (m) sind: 1 Picometer (pm), 1 Nanometer (nm), 1 Mikrometer (µm)?
Wellenlängen wichtiger elektromagnetischer Strahlungsarten.
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Kapitel 2: Periodensystem
(Chemie/Mortimer Kap. 6., S. 78-88; Kap. 7, S. 89-96 und S. 102-103)
Hund-Regel, Elektronenkonfiguration im „Kästchenschema“ darstellen können für die
Hauptgruppenelemente (insbesondere 2. und 3. Periode) und wichtige
Übergangsmetalle und deren Ionen (z.B. Fe, Fe2+, Fe3+, Cu, Cu+, Cu2+, Zn, Zn2+),
Was ist die Edelgaskonfiguration? Was sind Valenzelektronen? Zusammenhang
zwischen Valenzelektronen der Elemente und Einteilung des Periodensystems in
Blöcke, Gruppen und Perioden, Nomenklatur des Periodensystems (a) klassisch (b)
nach IUPAC-Empfehlung, welche Elemente sind bei Normalbedingungen flüssig?
Was ist die Ionisierungsenergie eines Atoms? Trends der ersten Ionisierungsenergie
in den Hauptgruppen kennen, Wieso ist die Bestimmung von Atomradien
problematisch? Was ist ein kovalenter Atomradius (oder Kovalenzradius)?,
Zusammenhang zwischen Ionenladung und Ionenradius? Was ist die
Elektronenaffinität eines Atoms? Einige Elemente mit sehr hoher (=stark negativer)
Elektronenaffinität kennen.
Kapitel 3: Chemische Bindung
3.1 Ionenbindung
(Chemie/Mortimer Kap. 7., S. 96-102)
Wie entsteht eine Ionenbindung? Ist die Ionenbindung „gerichtet“? Potentielle
Energie in Abhängigkeit vom Abstand Kation-Anion skizzieren können, wann ist ein
Vorgang (z.B. eine chemische Reaktion) exotherm? Wann endotherm? Was ist
Enthalpie? Bildung eines Salzes aus den Elementen in Teilschritte zerlegen können,
die zusammen die Bildungsenthalpie ergeben (Born-Haber-Zyklus); Was ist die
Gitterenergie?
3.2 Elektronegativität
(Chemie/Mortimer, Kap. 8.3, S. 112-114)
Was ist Elektronegativität? Unterschied zur Elektronenaffinität? Trends der
Elektronegativität in den Hauptgruppen kennen, Welches Element hat die größte /
die kleinste Elektronegativität? Zusammenhang zwischen Elektronegativität und
Metallcharakter.
3.3-3.4 Metallische Bindung und Strukturen von Metallen
(Chemie/Mortimer Kap. 11.13, S. 181-183)
Modell des „Elektronengases“, Welche Eigenschaften von Metallen können damit
interpretiert werden? Dichteste Kugelpackung, Unterschied kubisch/hexagonal, Wie
viele „nächste Nachbarn“ hat ein Metallatom in der dichtesten Kugelpackung ? Was
ist eine Elementarzelle? Elementarzelle skizzieren können für: kubisch dichteste und
kubisch innenzentrierte Packung (von Metallatomen), Tetraeder- und Oktaederlücken
in einer kubisch dichtesten Packung identifizieren können.
3
3.5 Strukturen von Ionenverbindungen
(Chemie/Mortimer Kap. 11.14, S. 184-186)
Beschreibung als dichteste Kugelpackung eines Ions, während das zweite Ion
(Oktaeder oder/und Tetraeder)-Lücken besetzt; Elementarzellen skizzieren können
von: Natriumchlorid (NaCl), Zinkblende (ZnS), Caesiumchlorid (CsCl), Calciumfluorid
(„Fluorit“, CaF2).
3.6 Kovalente Bindung
(Chemie/Mortimer Kap. 8, S. 107-120; Kap. 9, S. 121-127; S. 140-141)
Lewis-Schreibweise von Atomen der Hauptgruppenelemente, Was ist die
Oktettregel? Valenzstrichformeln einfacher Moleküle aus Hauptgruppenelementen
mit Hilfe der Oktettregel aufstellen können, Was sind Formalladungen?
Formalladungen der Atome in Molekülen bestimmen können, Mesomerie
beschreiben können, einfache Moleküle (wenn sinnvoll) durch mesomere
Grenzformeln beschreiben können, Was ist die „Doppelbindungsregel“? Was sind
hypervalente Atome? Was sind Radikale? Valenzstrichformel von NO skizzieren
können, VSEPR-Konzept kennen und anwenden können, räumlichen Bau einfacher
Moleküle mit Hilfe des VSEPR-Konzepts vorhersagen können, insbesondere für
Moleküle des Typs AXn (A, X: Atome, A ist das „Zentralatom“, n = 2-6).
Größenordnungen
Energie der Bindung in H2 (in kJ/mol), in N2;
3.7 Lewis-Säure - Lewis-Base - Wechselwirkungen
(Chemie/Mortimer Kap. 17.5, S. 287-290)
Was sind Lewis-Säuren / Lewis-Basen? Wie kommt eine Bindung zwischen beiden
zustande?
3.8 Molekülorbital-Modell der chemischen Bindung; Hybridorbitale
(Chemie/Mortimer Kap. 9, S. 127-134)
Kombination von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen am Beispiel des
Wasserstoffmoleküls erläutern können, Voraussetzungen für die Bildung von
Molekülorbitalen? Bindungsordnung zweiatomiger Moleküle ermitteln können, Wie
können p-Atomorbitale zu Molekülorbitalen kombinieren? Was sind σ-Bindungen / πBindungen? MO-Schema für einfache zweiatomige Moleküle aufstellen können
(insbesondere H2, O2, F2, N2), Welche Eigenschaft von O2 läßt sich mit der
Valenzstrichformel nicht erklären?
Modell der Hybridisierung kritisch diskutieren können, Beschreibung der Strukturen
von Methan, Ethen und Ethin mit Hilfe der Hybridisierung am Kohlenstoff (sp3, sp2,
sp), Gestalt eines Hybridorbitals?
Größenordnungen
Bindungslängen CC-Einfachbindung, Doppelbindung, Dreifachbindung
4
3.9 Koordinative Bindung (Koordinationsverbindungen)
(Chemie/Mortimer Kap. 29, S. 505-523)
Was
sind
Koordinationsverbindungen?
Was
sind
Liganden?
Welche
Koordinationsverbindung ist eines der wichtigsten Medikamente gegen Krebs?
Werden in den Valenzstrichformeln von Koordinationsverbindungen Formalladungen
berücksichtigt?
Schreibweise
einfacher
Koordinationsverbindungen,
z.B.
2+
[Cu(NH3)4] , wichtige Koordinationspolyeder kennen (tetraederisch, quadratischplanar, trigonal-bipyramidal, oktaedrisch), Was ist die Zähnigkeit von Liganden? Was
sind Chelatliganden (Beispiel!)? Was ist „EDTA“? Was sind Isomere? Unterschied
Konstitutionsisomere / Konfigurationsisomere; Cis/Trans-Isomere; Was sind
Enantiomere? Was ist die Kristallfeldtheorie? Welche Eigenschaften von
Koordinationsverbindungen können mit ihrer Hilfe qualitativ erklärt werden?
„Aufspaltung“ der d-Orbital-Energieniveaus im oktaedrischen Kristallfeld? Was
bestimmt die Größe der Kristallfeldaufspaltung? Wieso sind viele einfache
Koordinationsverbindungen farbig? Wie wird die sehr intensive Farbe des
Permanganations (MnO4 ) interpretiert? Was ist Diamagnetismus, Paramagnetismus,
Ferromagnetismus? Was ist die Voraussetzung für Paramagnetismus? Welche
zusätzliche Voraussetzung muß für Ferromagnetismus gegeben sein? Was sind
Weißsche Bezirke? Wieso sind bestimmte Komplexe eines Metallions (z.B. Fe2+)
diamagnetisch, andere wiederum paramagnetisch? Was sind high-spin / low-spin –
Komplexe?
3.10 Bändermodell (zur Beschreibung
nichtionischen Festkörpern)
(Chemie/Mortimer Kap. 28, S. 467-471)
der
Bindungsverhältnisse
in
Bänderstruktur eines Metalls / eines Isolators / eines Halbleiters, elektrische
Leitfähigkeit von Halbleitern mit Hilfe des Bändermodells erklären können.
Kapitel 4: Chemische Gleichungen
(Chemie/Mortimer Kap. 3 und 4, S. 25-43; Kap. 14.3 S. 229-234)
Das Aufstellen chemischer Reaktionsgleichungen und die Umrechnung zwischen
Stoffmengen und Massen wird in der Vorlesung nur kurz an wenigen Beispielen
demonstriert und muss intensiv geübt werden (mit Hilfe von Lehrbüchern und/ oder in
praktikumsbegleitenden Seminaren, Tutorien etc.).
Grundregeln für das Aufstellen chemischer Gleichungen kennen, Was sind
Redoxreaktionen? Redoxreaktion in Redoxteilgleichungen zerlegen können, Was ist:
Oxidation, Reduktion, Oxidationsmittel, Reduktionsmittel? Oxidationsstufe (synonym:
Oxidationszahl) von Atomen in kovalenten Verbindungen ermitteln können
(insbesondere für die Elemente H, B, C, N, O, S, F, Cl), Was ist
Komproportionierung, Disproportionierung (im Kontext Redoxreaktionen)? je ein
Beispiel dafür kennen; Was ist eine Kondensationsreaktion? Was ist ein Mol? Was ist
die Avogadro-Zahl? Umrechnungen zwischen Stoffmengen und Massen in einfachen
Reaktionsgleichungen beherrschen (Anmerkung: Atommassen bzw. Molmassen
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sollten nur für die Elemente H, He und C geläufig sein, für alle anderen Elemente
werden die Massen in der Klausur angegeben)
Kapitel 5: Gase
(Chemie/Mortimer Kap. 10, S. 143-162)
Was ist ein „ideales Gas“? Ideales Gasgesetz kennen, Was sind
„Normalbedingungen“? Wie groß ist das Molvolumen eines idealen Gases?
Geschwindigkeitsverteilung von Gasteilchen skizzieren können (ohne Zahlenwerte),
Formel für die Geschwindigkeit (genauer: für die Wurzel aus dem mittleren
Geschwindigkeitsquadrat) von Gasteilchen kennen, Graham-Effusionsgesetz
kennen, Wieso weichen reale Gase in ihrem Verhalten vom idealen Gas ab? JouleThomson-Effekt, praktische Anwendung? In welchen Gefäßen wird flüssige Luft
aufbewahrt? Zusammensetzung der Luft kennen (80% N, 20% O, 1% Edelgase,
0,3% CO2).
Kapitel 6: Flüssigkeiten und Lösungen
(Chemie/Mortimer Kap. 11, S. 163-176)
Was sind Partialladungen? Symbolik? Formel Dipolmoment, Zusammenhang
zwischen Dielektrizitätskonstante einer Flüssigkeit und Löslichkeit von Salzen? Was
sind London-Kräfte? Zusammenhang zwischen Teilchenmasse und Stärke der
London-Kräfte? Was sind Wasserstoffbrückenbindungen? Wasserstoffbrücken
skizzieren können zwischen zwei Wassermolekülen, zwei FluorwasserstoffMolekülen, zwei Essigsäure-Molekülen; Wieso hat Eis eine geringere Dichte als
Wasser? Verlauf der Siedepunkte skizzieren können für die Verbindungen H2O, H2S,
H2Se, H2Te; Wasserstoffbrückenbindungen in (großen) Biomolekülen am Beispiel
DNA; Zustandsdiagramm von Wasser und von Kohlendioxid skizzieren können, Was
ist der Dampfdruck einer Flüssigkeit? Was ist die Stoffmengenkonzentration
(Molarität)? Wieviel NaCl enthält 1 kg einer 10%igen NaCl –Lösung? Welchen Effekt
hat das Auflösen eines nichtflüchtigen Stoffs in einer Flüssigkeit a) auf den
Siedepunkt b) auf den Gefrierpunkt? Formel für Gefrierpunktserniedrigung kennen,
Formel für den Dampfdruck eines „idealen“ Gemischs zweier Flüssigkeiten kennen
(Raoult-Gesetz), Worauf beruht die Trennung von Flüssigkeitsgemischen durch
fraktionierte Destillation? Was sind Azeotrope? Formel für den osmotischen Druck
kennen, Solvolyse von Salzen auf atomarer Ebene interpretieren können.
Größenordnungen
Energie einer Wasserstoffbrückenbindung (in kJ/mol)
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Kapitel 7: Thermodynamik, Kinetik, Gleichgewichte
7.1 Thermodynamik
(Chemie/Mortimer Kap. 20, S. 331-347)
Was ist die Entropie eines Systems? Symbol? Was ist die freie Enthalpie? Formel?
Symbol? Was ist die freie Standard-Reaktionsenthalpie? Zusammenhang zwischen
Änderung der Teilchenzahl und Entropieänderung, Was sind metastabile Systeme?
7.2 Kinetik
(Chemie/Mortimer Kap. 15, S. 245-268)
Diagramm der potentiellen Energie für den Verlauf einer einfachen chemischen
Reaktion skizzieren können, Reaktionsgeschwindigkeit für Reaktion AÆB,
Geschwindigkeitsgesetze für Reaktionen 1. und 2. Ordnung kennen, Was ist eine
SN2-Reaktion, SN1-Reaktion (an Beispiel erläutern können)? Arrhenius-Gleichung
kennen,
7.3 Gleichgewichte
(Chemie/Mortimer Kap. 16, S. 269-280, Kap. 19, 319-330)
Massenwirkungsgesetz
für
chemische
Reaktionen
aufstellen
können,
Zusammenhang zwischen ∆G und K kennen, Prinzip des kleinsten Zwangs kennen,
Wie „reagieren“ Gleichgewichte auf Konzentrationsänderungen? (Beispiele: a)
Bildung von HI aus den Elementen b) Kalkabscheidung beim Erhitzen von
Leitungswasser),
auf
Druckänderungen?
(Beispiel
Ammoniaksynthese),
Temperaturänderungen (Beispiele: a) Ammoniaksynthsese b) NO2 / N2O4Gleichgewicht)? Was ist ein Katalysator? Wirkungsweise eines Katalysators mit Hilfe
eines Energieprofils erläutern können; Beeinflußt ein Katalysator die
Gleichgewichtskonstante
der
katalysierten
Reaktion?
Was
ist
das
Löslichkeitsprodukt? Sind Lösevorgänge meist exotherm oder meist endotherm?
Pearson-Konzept auf Voraussage der Löslichkeit von Salzen anwenden können,
Massenwirkungsgesetz für die Bildung einfacher Metallkomplexe formulieren können,
Zusammenhang zwischen Chelateffekt und Entropie, Wie können schwerlösliche
Salze in Lösung gebracht werden?
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Kapitel 8: Säuren und Basen
(Chemie/Mortimer Kap. 17 und 18, S. 281-317)
Gleichgewicht für Autoprotolyse des Wassers formulieren können, Formel für
Ionenprodukt des Wassers kennen, Wird das Ionenprodukt mit steigender
Temperatur größer oder kleiner? Was ist der pH-Wert? Was ist der pOH-Wert?
Definition von Säuren und Basen nach Brönstedt, Was ist ein konjugiertes SäureBase –Paar (an Beispiel erläutern können), Unterschied starke/schwache Säure,
Gleichung für Säurekonstante KS / Basenkonstante KB kennen, Was ist der pKS,
pKB? Zahlenwert der Summe pH+pOH bzw. pKS+pKB kennen, Was sind
mehrprotonige Säuren (Beispiel)? Säuredissoziation der Kohlensäure mit
Gleichungen Beschreiben können, Was sind Amphotere? Formel für
Näherungsweise Berechnung des pH-Werts von Lösungen schwacher Säuren
(Basen) kennen, pH-Wert-Berechnungen durchführen können für Lösungen starker
Säuren, starker Basen, schwacher Säuren, schwacher Basen; Was sind
Pufferlösungen? Henderson-Hasselbalch-Gleichung kennen, pH-Wert einer
Pufferlösung die schwache Säure und konjugierte Base im Verhältnis 1:1 enthält?
Was sind Indikatoren? Wo liegt der Umschlagsbereich eines Indikators? Was ist ein
Universalindikator? Titrationskurve skizzieren können für Titration a) starker Säure
(z.B. Salzsäure) mit NaOH b) schwacher Säure (z.B: Essigsäure) mit NaOH c) der
mehrprotonigen Säure Phosphorsäure mit NaOH; charakteristische Punkte der
Titrationskurve bezeichnen können mit Angabe der zugehörigen pH-Werte
(Äquivalenzpunkt etc.). Wie kann sich Lewis-Acidität in Brönstedt-Acidität äußern?
(an Beispielen mit Reaktionsgleichungen erläutern können).
Größenordnungen
pKs-Wert-Bereich (keine genauen Zahlenwerte) von sehr starken, starken und
schwachen Säuren; pKs-Wert von Essigsäure (4.7), Ammonium-Ion NH4+ (9.2) und
Wasser (15.7) kennen.
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Kapitel 9: Redoxreaktionen und Elektrochemie
(Chemie/Mortimer Kap. 21, S. 349-376)
Einfache Redoxreaktionen sicher formulieren können, z.B. Bildung von Salzen aus
Metallen und Nichtmetallen (O2, S, Halogene), Oxidation von Nichtmetallen mit O2
(C, S, P, NO), Wasserstoff-Freisetzung durch Reaktion unedler Metalle (Na, Mg, Al)
mit Säuren, Reaktion von Zink mit Cu2+-Ionen, Redoxreaktionen mit H2O2 (Oxidation
von Iodid, Reduktion von Permanganat). Was ist eine Galvanische Zelle?
Halbreaktionen des Daniell-Elements formulieren können, Aufbau des DaniellElements skizzieren können, Rolle der „Salzbrücke“ erläutern können, Aufbau der
Normal-Wasserstoff-Elektrode skizzieren können, Welches Potential hat diese
Elektrode? Was ist ein Normalpotential (oder Standardpotential)? Eine Halbzelle mit
positivem Normalpotential wird mit der Normal-Wasserstoff-Elektrode verbunden –
läuft in der Halbzelle dann eine Reduktion oder eine Oxidation ab? Beispiele für
Halbreaktionen mit deutlich negativem Normalpotential kennen (Alkalimetall/Kation,
Erdalkalimetall/Kation, Al/Al3+, Zn/Zn2+, Fe/Fe2+), Beispiele für Halbreaktionen mit
deutlich positivem Normalpotential kennen (Cu/Cu2+, Fe2+/Fe3+, Ag/Ag+, Hg/Hg2+,
Au/Au3+, Halogenid/Halogen, Mn2+/MnO4-, Pb2+/PbO2), Wieso hat Kalium trotz
deutlich kleinerer Ionisierungsenergie ein weniger negatives Normalpotential als
Lithium? Zusammenhang zwischen Normalpotential E° und Freier Standardenthalpie
∆G° (Formel kennen), Nernst-Gleichung kennen und für die Berechnung der
Konzentrationsabhängigkeit von Potentialen anwenden können, einschließlich pHabhängiger Potentiale (z.B. Halbreaktion mit Permanganat), Funktionsprinzip der pHElektrode (Glaselektrode) kennen (Details zur Referenzelektrode sind nicht relevant),
Halbreaktionen des Leclanche-Elements (Taschenlampenbatterie) kennen,
Halbreaktionen beim Entladen des Bleiakkumulators formulieren können, Wieso
müssen die Halbzellen nicht räumlich getrennt werden, Halbreaktionen der
Elektrolyse
von
Wasser
formulieren
können,
Halbreaktionen
der
Schmelzflusselektrolyse von NaCl formulieren können, Chloralkali-Elektrolyse
erläutern können, Teilreaktionen formulieren können, Was ist Überspannung? Wieso
entsteht bei der Chloralkali-Elektrolyse Cl2 und nicht O2? Halbreaktionen bei der
Korrosion von Eisen? Was ist einLokalelement? Einfluß auf Korrosion? Wie kann ein
Zinküberzug die Korrosion von Eisen verhindern?
Größenordnungen
Normalpotentiale von F-/F2 und Li/Li+ (Extrema der Spannungsreihe)
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