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,*,第三章 化学动力学基础,无机,化,学,吕梁学院,LULIANG UNEVERSITY,无机,化,学,吕梁学院,LULIANG UNEVERSITY,*,第三章 化学动力学基础,无机,化,学,吕梁学院,LULIANG UNEVERSITY,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,高淑娟大连理工大学无机化学课件第03章,高淑娟大连理工大学无机化学课件第03章高淑娟大连理工大学无机化学课件第03章3.1 化学反应速率的概念3.5 催化剂和催化作用3.4 反应速率理论和反应机理简介3.3 温度对反应速率的影响,Arrhenius方程式3.2 浓度对反应速率的影响,速率方程式,3.1,化学反应速率的概念,3.5,催化剂和催化作用,3.4,反应速率理论和反应机理简介,3.3,温度对反应速率的影响,Arrhenius,方程式,3.2,浓度对反应速率的影响,速率方程式,3.1,化学反应速率的概念,3.1.1,平均速率与瞬时速率,3.1.2,定容反应的反应速率,化学热力学研究化学反应中能量的转化,预测某一化学反应能否进行以及进行的程度。由于化学热力学不涉及反应时间,因此它不能告诉其化学反应进行的速度。,例如:,N,2,O,5,在,CCl,4,溶液中的分解:,化学反应速率,指一定反应条件下,反应物转化为生成物的速率。它用单位时间内,反应物浓度的减少,或,生成物浓度的增加,来表示。,mol.dm,-3,.s,-1,(,min,-1,,,h,-1,),40,,,5.00mLCCl,4,中,N,2,O,5,的分解速率,2N,2,O,5,(CCl,4,),2N,2,O,4,(CCl,4,)+O,2,(g),r,t,1,=0 s,c,1,(N,2,O,5,)=0.200 molL,-1,t,2,=300 s,c,2,(N,2,O,5,)=0.180 molL,-1,2N,2,O,4,(CCl,4,)+O,2,(g),例:,2N,2,O,5,(CCl,4,),3.1.1,平均速率与瞬时速率,1.,平均速率,某一有限时间间隔内浓度的变化量。,(,),时,0,B,D,D,D,=,t,t,c,r,t=t,2,-t,1,;,N,2,O,5,=N,2,O,5,2,-N,2,O,5,1,平均速率,式中的负号是为了使反应速率保持正值。,2N,2,O,5,(g)4NO,2,(g)+O,2,(g),由反应系数可见:,2 mol N,2,O,5,分解成,4 mol NO,2,和,1 mol O,2,,则:,对一般的化学反应,aA+bB gG+hH,则:,O,2,2N,2,O,5,(g)4NO,2,(g)+O,2,(g),2.,瞬时速率,时间间隔,t,趋于无限小时的平均速率的极限。,为导数,它的几何意义是,c-t,曲线上某,点的斜率。例如,270s,时的瞬时速率:,A,点的斜率,=,瞬时反应速率,时间间隔越小,越能反映出间隔内某一时刻的反应速率,。我们把某一时刻的反应速率称为,瞬时反应速率,,可以用作图法求得:,D,E,F,t,A,同理:,t,A,的瞬时速率:,对一般的化学反应,aA+bB gG+hH,则:,例:,N,2,O,5,的分解反应,:,2N,2,O,5,(g)4NO,2,(g)+O,2,(g),在,340K,测得实验数据为,t,/min 0 1 2 3 4 5,c,(N,2,O,5,)/(molL,-1,)1.00 0.70 0.50 0.35 0.25 0.17,求反应在,2,分钟内的平均速率及,1,分钟时的瞬时速率。,瞬时反应速率,解:(,1,)求平均反应速率,2N,2,O,5,=4NO,2,(g)+O,2,(g),=-(0.50-1.00),(2-0),=0.25 mol.dm,-3,.min,-1,作图法求瞬时反应速率,N,2,O,5,分解的,c-t,曲线,时间,t,4.2,0.92,0,y,1,y,2,x,1,x,2,1,2,t,/min,浓度,(,N,2,O,5,),(,2,)求,1,分钟时的瞬时反应速率,在,1,分钟时的,c-t,曲线上作切线,其斜率的负值就是,N,2,O,5,该时刻的瞬时速率,r,=-(0-0.92),(4.2-0)=0.22 mol.dm,-3,.min,-1,瞬时反应速率,如果体积不变:,3.1.2,定容反应的反应速率,a,A +,b,B,y,Y +,z,Z,对于定容的气相反应:,对于一般的化学反应:,3.2,浓度对反应速率的影响,速率方程式,3.2.1,化学反应速率方程式,3.2.3,浓度与时间的定量关系,3.2.2,由实验确定反应速率方程的,简单方法初始速率法,大量实验证明,在一定温度下,增加反应物浓度可以增加反应速率。,浓度对化学反应的影响,40,,,CCl,4,中,N,2,O,5,分解反应的,:,c,(N,2,O,5,),3.2.1,化学反应速率方程式,N,2,O,5,的分解速率与,N,2,O,5,浓度的比值是恒定的,即反应速率,与,c,(N,2,O,5,),成正比。,可见:,对于一般的化学反应:,反应级数:,若,=,1,,,A,为一级反应;,=,2,,,B,为二级反应,则,+=,3,,总反应级数为,3,。,,,必须通过实验确定其值。通常,a,b,。,k,反应速率系数:,零级反应,molL,-1,s,-1,;一级反应,s,-1,;二级反应,(molL,-1,),-1,s,-1,;,k,不随浓度而变,但受温度的影响,通常温度升高,,k,增大。,通常,a,b.,可以是零、正整数、分数,也可以是负数,浓度对化学反应的影响,基元反应,:当反应物分子在有效碰撞中一步直接转化为产物的反应。,对一般的基元反应:,基元反应的化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的乘积成正比。该数学表达式叫,速率方程,,这也叫,质量作用定律。,k,称为,速率常数。,结论,2,、非基元反应,:,许多反应不是基元反应,而是由二步或多步反应完成,即,复合反应,。,复合反应,,其速率方程只有通过实验确定,而不能按反应物的计量数随意写出。,浓度对化学反应的影响,0 NOmol.dm,-3,H,2,mol.dm,-3,r mol.dm,-3,.s,-1,1 6.0010,-3,1.0010,-3,3.1910,-3,2 6.0010,-3,2.0010,-3,6.3610,-3,3 6.0010,-3,3.0010,-3,9.5610,-3,4 1.0010,-3,6.0010,-3,0.4910,-3,5 2.0010,-3,6.0010,-3,1.9210,-3,6 3.0010,-3,6.0010,-3,4.3010,-3,将上述任何一组数据代入方程,可以求出,k,。,在恒温下,,k,在实验误差范围内是一常数,。,浓度对化学反应的影响,3,、反应的分子数和反应级数,反应的分子数,:是指基元反应或复合反应的基元步骤中发生反应所需要的微粒(分子、原子、离子或自由基)的数目。,反应分子数通常是单分子和双分子最多,三分子很少,四分子或以上尚未发现。,浓度对化学反应的影响,反应级数,:是反应速率方程中各反应物浓度项的幂指数之和。可见,,基元反应的反应分子数和反应级数是相同的,。,注意,:即使由实验测得的反应级数与反应式中反应物的计量数之和相等,该反应不一定是基元反应。,浓度对化学反应的影响,推算:,反应分子数只能是,1,、,2,、,3,几个整数,,但反应级数可为零,也可为分数。,零级反应,即反应速率与反应物浓度无关。如钠和水的反应。,它不属于简单的表达形式,不能谈反应级数。,浓度对化学反应的影响,4,、速率常数,k,速率常数,是在给定的温度下反应物浓度皆为,1 mol.dm,-3,时的反应速率。,速率常数在速率方程中是其比例常数。它在速率方程中,不随反应物浓度的变化而改变。速率常数是温度的函数。,浓度对化学反应的影响,研究化学反应速率,确定反应速率方程,可以为研究化学反应机理提供重要线索。,反应中用不同物质浓度表示速率时,反应方程式中各物质计量系数不同,则速率方程中速率常数的数值不同。,如:,a,A+,b,B,g,G+,h,H,存在下列关系:,浓度对化学反应的影响,浓度对化学反应的影响,浓度对化学反应的影响,浓度对化学反应的影响,由于反应速率是以,mol.dm,-3,.s,-1,为单位,于是,速率常数的单位与反应级数有关,。,一级反应的速率常数的单位为,s,-1,;,二级反应的速率常数的单位为,(,mol,.,dm,-3,),-1,.s,1,n,级反应的速率常数的单位为,(,mol,.,dm,-3,),(1-n),.s,1,例如:,反应的有关实验数据如下:,3.2.2,由实验确定反应速率方程的 简单方法初始速率法,该反应的速率方程式:,对NO而言是二级反应,对H,2,而言是一级反应。,试问如何求出反应速率系数?,取多组k的平均值作为速率方程中的速率系数。,亦可写为:,3.2.3,浓度与时间的定量关系,ln,c-t,曲线应为直线,当反应物,A,的转化率为,50%,时所需的反应时间称为半衰期,用 表示。,对于一级反应,其半衰期为:,则,半衰期:,零级、一级、二级反应的速率方程总结:,仅适用于只有一种反应物的二级反应。,一级反应,凡是反应速率与反应物浓度的一次方成正比者称为一级反应。,反应物在该,瞬间的浓度,浓度与时间的定量关系,一级反应,B,是积分常数,若以,-lnC,对时间,t,作图应得一直线,,直线的斜率为,k,,这是一级反应的特征。,若作定积分,当,t=0,时,反应物的浓度为,C,0,,当,t=t,时反应物的浓度为,C,,,若已知原始浓度,C,0,,再知道任何时间,t,时的浓度,C,,也可以求出反应的速率常数。,一级反应,若令,x,代表时间,t,后,反应物反应掉的浓度,则:,C=C,0,-x,,故上式可写为:,反应物消耗了一半所需要的时间,这个时间就是,半衰期,一级反应,一级反应的半衰期与反应的速率常数成反比,而与,反应开始时物质的原始浓度无关,。,对于一个给定的反应,它是一个常数。,lgC=lgC,0,-kt/2.303,C=C,0,e,-kt,一级反应,例:质量数为,210,的钚同位数,进行,放射,经,14,天后,同位素的活性降低了,6.85%,,试求此同位素的蜕变常数(,k,)和半衰期,并计算经过多长的时间才分解,90%,。,解:设反应开始时物质的量为,100%,,,14,天后剩余未分解的量为,93.15%,:,一级反应,设有,90%,的同位素分解需时,t,天,此时剩余,10%,反应速度和两种物质浓度的乘积成正比者,称为二级反应。二级反应最为常见。,二级反应的通式可写为:,A+B C+,2A C+,若以,a,、,b,代表,A,和,B,的初始浓度,经,t,时间后有,x,的,A,和等量的,B,反应发生,则,t,时,,A,和,B,的浓度分别为:,(a-x),和,(b-x),,,二级反应,A +B C+,a b 0,a-x b-x x,二级反应,若,A,和,B,的最初浓度相同,即,a=b,,,移项作不定积分,:,二级反应,若,以,1/a-x,对,t,作图,则应得一直线,,直线的斜率为,k,2,,这就是利用作图法求二级反应常数的方法。,若作定积分:,得到,:,二级反应,当原始反应物消耗一半时,,x=a/2,,则,:,即二级反应的半衰期与一级反应不同,它与反应物的原始浓度成反比。,二级反应,二级反应,A+B+C,生成物,2A+B,生成物,3A,生成物,反应速度和三个浓度项的乘积成正比者称为三级反应,可有下列几种形式:,三级反应,若作定积分:,若前三式的浓度相等,则积分:,三级反应,若,x=a/2,,其反应的半衰期:,可见三级反应,,半衰期与反应物起始浓度的平方成反比,。,三级反应在动力学上是很少见的,原因是因为三个分子同时碰撞的机会不多,。,三级反应,只有,1,种反应物的二级反应:,只有,1,种反应物的三级反应:,反应速度与物质的浓度无关称为零级反应。,积分得:,当,x,=C,0,/2,时,,零级反应,C,0,属于这一类的反应,如某些表面催化反应,在一定情况下反应的速度与表面的状态有关,而与反应物的浓度无关。,零级反应,3.3.1 Arrhenius,方程式,3.3,温度对反应速率的影响,Arrhenius,方程式,3.3.3,对,Arrhenius,方程的进一步分析,3.3.2 Arrhenius,方程式的应用,影响反应速率的因素有两个:,k,和,c,B,k,与温度有关,,T,增大,一般,k,也增大,但,kT,不是线性关系。,反应速率方程,3.3.1 Arrhenius,方程式,温度对反应速率的影响,1899,年,Arrhenius,总结了大量实验事实,归纳出反应速率常数和温度的定量关系,阿仑尼乌斯公式不仅说明反应速率与温度的关系,而且还可以说明活化能对反应速率的影响。,活化能,E,a,和指前因子K,0,,可以通过作图法算出。,温度对反应速率的影响,活化能也可以根据实验数据计算,如,T,1,时为,k,1,,,T,2,时为,k,2,,则:,温度对反应速率的影响,例:反应,N,2,O,5,(g)N,2,O,4,(g)+1/2O,2,(g),,在,298K,时,速率常数,k,1,=3.410,-5,s,-1,,在,328K,时速率常数,k,2,=1.510,-3,s,-1,,求反应的活化能和指前因子K,0,。,解:,温度对反应速率的影响,由公式:,温度对反应速率的影响,k-T,关系图:,ln,k,-1/,T,图,Arrhenius方程:,(指数形式),k,0,指前参量,E,a,实验活化能,单位为,kJ,mol,-1,。,k-T,图,显然 为直线关系,,直线的截距为,ln,k,0,。,直线的斜率为 ,,1.,已知,T,1,k,1,,,T,2,k,2,,求,E,a,活化能的数量级在,40 400 kJ,mol,-1,,多数为,60250 kJ,mol,-1,。,两式相减,整理得到:,3.3.2 Arrhenius,方程式的应用,2.,由,E,a,计算反应速率常数,例题:,2N,2,O,5,(g),2N,2,O,4,(g)+O,2,(g),已知:,T,1,=298.15K,k,1,=0.46910,-4,s,-1,T,2,=318.15K,k,2,=6.2910,-4,s,-1,求:,E,a,及,338.15K,时的,k,3,。,2.,温度升高,,k,增大,一般反应温度每升高,10,,,k,将增大,210,倍;,1.,在 ,,E,a,处于方程的指数项中,对,k,有显著影响,在室温下,,E,a,每增加,4kJ,mol,-1,,,k,值降低约,80%,;,3.3.3,对,Arrhenius,方程的进一步分析,4.,对不同反应,升高相同温度,,E,a,大的反应,k,增大的倍数多,因此升高温度对反应慢的反应有明显的加速作用。,3.,根据 对同一反应,升高一定温度,在高温区值增加较少,因此对于原本反应温度不高的反应,可采用升温的方法提高反应速率;,3.4.1,碰撞理论,3.4,反应速率理论和反应机理简介,3.4.4,反应机理与元反应,3.4.3,活化能与反应速率,3.4.2,活化络合物理论,(,过渡态理论,),碰撞理论:,该理论认为,,反应物分子间的相互碰撞是反应进行的先决条件,。反应物分子碰撞的频率越高,反应速度越大。,3.4.1,碰撞理论,是不是每次碰撞都能发生反应呢?,由于分子运动速度很快,分子间不断地碰撞,若一经碰撞就发生反应,,那么一切气体分子反应不但能瞬间完成,而且反应速度也相当接近。,但实验告诉我们,气体反应有快有慢,而且差别很大。,碰撞理论认为,碰撞中能发生反应的一组分子(,活化分子组,)首先,必须具备足够能量,,以克服分子无限接近时电子云之间的斥力,从而导致分子中原子的重排,即化学反应。,活化分子组在全部分子中的比例符合波耳兹曼分布,除了要满足有效碰撞的条件外,还要,有合适的取向,,反应才能发生,这就是,取向因子,P,能量因子,是能量满足要求的碰撞占总碰撞次数的分数,能有效碰撞分子组所具有的最低能量,分子碰撞的不同取向,C,O,N,O,O,有效碰撞发生反应,C,O,N,O,O,无效碰撞不发生反应,CO(g)+NO,2,(g)CO,2,(g)+NO(g),真正的有效,碰撞次数,不同反应,活化能不同,所以决定各种不同反应的速率不同。,碰撞理论认为:,反应物分子间的相互碰撞是反应进行的先决条件。反应物分子能量高;碰撞频率越大;碰撞方向有利;有效碰撞次数多,反应速率越大。,以气体分子运动论为基础,主要用于气相双分子反应。,例如:反应,发生反应的两个基本前提:,发生碰撞的分子应有足够高的能量,碰撞的几何方位要适当,碰撞理论,气体分子的能量分布和活化能,E,k,E,c,E,Ec表示摩尔临界能,由于,碰撞理论把反应分子当成简单的刚性球,,这只有对小分子较成功。而复杂分子,则不满意。三十年代艾林在量子力学和统计力学的基础上提出了化学反应速率的过渡态理论。,3.4.2,活化络合物理论,(,过渡态理论,),1,、活化配合物,当具有足够平均能量的反应物分子相互按一定的取向接近时,到一定程度后,价电子云便可相互穿透,,旧键发生松弛,但没完全断裂,新键正在形成,但又没完全形成,,即形成一种活化配合物,如:,以量子力学对反应过程中的能量变化的研究为依据,认为从反应物到生成物之间形成了势能较高的活化络合物,活化络合物所处的状态叫,过渡态。,例如反应:,其活化络合物为 ,具有较高的势能,E,ac,。它很不稳定,很快分解为产物分子NO,2,和O,2,。,N O,O O O,活化络合物理论(过渡态理论),在活化配合物中,反应物分子的动能转变为活化配合物的势能,因此,活化配合物很不稳定,。,根据过渡态理论,反应速度与下列三个因素有关:,活化配合物浓度;,活化配合物分解为产物的几率;,活化配合物转化为产物的速率。,E,a(,逆,),(,正,),(,正,),E,a(,逆,),E,ac,E,ac,化学反应过程中能量变化曲线,E,(),反应物,(,始态,),势能,E,(),生成物,(,终态,),势能,正反应的,活化能,E,a(,正,),=,E,ac,-,E,(),逆反应的,活化能,E,a(,逆,),=,E,ac,-,E,(),r,H,m,=,E,(),-,E,(),=,E,ac,-,E,a(,逆,),-,E,ac,-,E,a(,正,),r,H,m,=,E,a(,正,),-,E,a(,逆,),E,a(,正,),E,a(,逆,),,,r,H,m,0,,为放热反应;,E,a(,正,),E,a(,逆,),,,r,H,m,0,,为吸热反应。,过渡态理论,2,、反应历程,-,势能图,E,1,E,a,(,正,),E,ac,(,过渡状态,),E,a,(,逆,),H,E,2,反应历程,能量,O,正反应活化能,E,a(,正,),活化配合物的势能,E,ac,反应物平均势能,E,(),逆反应活化能,E,a(,逆,),活化配合物的势能,E,ac,产物平均势能,E,(),反应的热效应,r,H,m,E,(),-,E,(),=,E,a(,正,),-,E,a(,逆,),正反应的活化能:,E,a(,正,),逆反应的活化能:,E,a(,逆,),反应的反应热应为:,r,H,m,=,E,a(,正,),-,E,a(,逆,),当,Ea(正)Ea(逆),,r,H,m,0,为放热反应;,当Ea(正)Ea(逆),,r,H,m,0,为吸热反应,由势能图可见,,同一反应,正逆反应的活化过渡态是一样的,即经历同一个活化配合物,这就是微观可逆原理。,浓度影响:,当温度一定,某反应的活化能也一定时,浓度增大,分子总数增加,活化分子数随之增多,反应速率增大。,温度影响:,当浓度一定,温度升高,活化分子分数增多,反应速率增大。,3.4.3,活化能与反应速率,温度对反应速率的影响,温度对化学反应速率的影响特别显著。如氢和氧在室温不反应。,1073K,时,猛烈爆炸。,一般来说,温度升高,反应速率增大。通常,反应物浓度恒定,,温度每升高,10K,,反应速率增大二到三倍,。主要的原因是温度升高,活化分子组的百分数增大,有效碰撞的百分数增加,使反应速率大大地加快。,无论对放热反应还是吸热反应,温度升高时反应速率都是加快的。,过渡状态理论认为:,在反应过程中反应物必须爬过一个能垒才能进行。升高温度,反应物分子的平均能量提高,减小了活化能的值,反应速率加快。,碰撞理论认为:,温度高时分子运动速率增大,活化分子的百分数增加,有效碰撞的百分数增加,反应速率增大。,意义:,通过实验一旦证实某一有确定反应物和生成物的反应为元反应,就可以根据化学反应计量方程式直接写出其速率方程式。,反应机理:,化学反应过程中经历的真实反应步骤的集合。,基元反应:,由反应物一步生成生成物的反应,没有可用宏观实验方法检测到的中间产物。,则,为元反应,3.4.4,反应机理与元反应,例如:,复合反应:,由两个或两个以上的反应组合而成的总反应。在复合反应中,可用实验检测到中间产物的存在,但它被后面的一步或几步反应消耗掉,因而不出现在总反应方程式中,。,如:,为由下列两步组成的复合反应,(,慢,),(,快,),中间产物,NO,3,可被光谱检测到,但是没有从混合物中分离出来。,控制步骤的速率方程式:,反应机理的研究是一个十分复杂而艰难的任务。,意义:,若清楚反应是如何进行的,则可以有效控制反应的快慢,以获得期望产物。,一般的过程是:采用分子光谱等研究手段检测反应过程中的中间产物,据此推断反应历程,再以实验获得的速率方程验证。,一个合理的反应机理应满足:,全部元反应的加和应为化学计量反应方程式,由反应机理得出的速率方程应与实验所得一致,例题:,一氧化氮被还原为氮气和水:,根据光谱学研究提出的反应机理是:,依据这一反应机理推断其速率方程式,并确定相关物种的反应级数。,(,慢,),k,2,(,快,),k,1,(,快,平衡,),2,2,O,N,NO,2,k,1,k,-1,解:按照速率控制步骤,(,最慢的一步,),是中间产物,根据第一步的快速平衡,,该反应对,NO,是二级反应,对,H,2,是一级反应。,代入,则,3.5.1,催化剂与催化作用的基本特征,3.5,催化剂和催化作用,3.5.3,酶催化,3.5.2,均相催化与多相催化,催化剂:,存在少量就能加快反应而本身最后并无损耗的物质。,3.5.1,催化剂与催化作用的基本特征,催化作用的特点:,只能对热力学上可能发生的反应起作用。,通过改变反应途径以缩短达到平衡的时间。,只有在特定的条件下催化剂才能表现活性。,催化剂有选择性,选择不同的催化剂会有,利于不同种产物的生成。,催化剂是一种能改变化学反应速率,而其本身在反应前后质量和化学组成均不改变的物质。,催化剂之所以能加快反应速率,被认为是由于催化剂改变了反应历程。,A,B,C,势,能,反应历程,NO,2,+CO,NO+CO,2,E,E,B,催化剂对化学反应速率的影响,催化剂的作用机理改变反应历程,可见,不管有无催化剂存在下,正逆反应的活化能差值是相同的,表明催化剂不仅可以加快正反应速率,同时也可以加快逆反应速率。,催化剂的存在并不改变反应物和生成物相对能量。即,催化剂并没有改变反应的焓变和自由能变化值,。这说明,催化剂只能加速热力学上认为可能进行的反应,即自由能变化值小于零的反应。,催化反应的分类:均相催化、多相催化。,1.,均相催化:,催化剂与反应物种在同一相中的催化反应。,没有催化剂存在时,过氧化氢的分解反应为:,加入催化剂,Br,2,,可以加快,H,2,O,2,分解,分解反应的机理是:,第一步,第二步,总反应:,3.5.2,均相催化与多相催化,催化剂对反应活化能的影响,实验结果表明,催化剂参与的分解反应,改变了反应机理,降低了反应活化能,增大了活化分子分数,反应速率显著增大。,活化能降低使活化分子数增加,2.,多相催化:,催化剂与反应物种不属于同一物相的催化反应。,汽车尾气,(NO,和,CO),的催化转化:,反应在固相催化剂表面的活性中心上进行,催化剂分散在陶瓷载体上,其表面积很大,活性中心足够多,尾气可与催化剂充分接触。,酶催化:,以酶为催化剂的反应。,特点:高效,高选择性,条件温和,3.5.3,酶催化,作业:P68:2、3、4;P69-70:5、9、10,谢谢观赏,
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