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24电化学原理新课标

2011届高考化学二轮专题复习学案:

2.4电化学原理(新课标)【考纲点击】

1.了解原电池的工作原理,能写出电极反应式和电池总反应式。

2.了解常

见化学电源的种类及其工作原理。

3.了解电解池的工作原理,能写出电极反应式和电池反应方程式。

4.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施。

【核心要点突破】

一、原电池、电解池电极反应及总反应式的书写

无论是原电池还是电解池,其电极反应均是氧化还原反应,因此电极反应时的书写要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守和。

书写时先对电极材料和溶液介质情况分析,再书写电极反应式和总反应式。

1.原电池中电极反应式的书写

(1)先确定原电池的正负极,列出正负极上的反应物质,并标出相同数目电子的得失。

(2)注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。

若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式;若正极上的反应物质是O2,且电解质溶液为中性或碱性,则水必须写入正极反应式中,且O2生成OH-,若电解质溶液为酸性,则H+必须写入正极反应式中,O2生成水。

(3)正负极反应式相加,消取得失电子数目及两边的介质离子,得到电池氧化还原反应的总反应式。

若已知电池反应的总反应式,可先写出较易书写的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的电极反应式,即得到较难写出的电极反应式。

2.电解池中电极反应式的书写

(1)首先看阳极材料,如果阳极是活泼电极(金属活动顺序表Ag以前),则应是阳极失电子,阳极不断溶解,溶液中的阴离子不能失电子。

(2)如果阳极是惰性电极(Pt、Au、石墨),则应是电解质溶液中的离子放电,应根据离子的放电顺序进行书写电极反应式。

阳极(惰性电极)发生氧化反应,阴离子失去电子被氧化的顺序为:

S2->SO32->I->Br->Cl->OH->水电离的OH->含氧酸根离子>F-。

阴极发生还原反应,阳离子得到电子被还原的顺序为:

Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>(酸电离出的H+)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>(水电离出的H+)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。

(注:

在水溶液中Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+这些活泼金属阳离子不被还原,这些活泼金属的冶炼往往采用电解无水熔融态盐或氧化物而制得)。

(3)根据实际反应物写总电解方程式。

3.特殊情况电极反应式的书写

在书写电极反应式时,一定要注意一些特殊情况。

(1)注意溶液中的离子浓度的改变会引起离子放电顺序的改变

溶液中的离子浓度改变,有时可导致离子放电顺序的改变。

例:

在给某镀件镀锌时,电镀液是饱和ZnCl2溶液,试写出该电镀池的电极反应式。

解析:

在饱和ZnCl2溶液中,Zn2+的浓度远大于水电离出来的H+的浓度,所以阴极应是Zn2+放电,而不是H+放电。

其电极反应式为:

阳极:

Zn-2e-=Zn2+;阴极:

Zn2++2e-=Zn。

(2)注意电解质溶液的改变会引起电极正负的改变

在原电池中,一般较活泼金属作负极,但当电解质溶液发生改变时,较活泼金属就不一定作负极了。

例:

将铜片和铝片用导线相连,分别同时插入稀H2SO4和浓HNO3中,写出两池的电极反应式。

解析:

在稀H2SO4作电解质溶液的原电池中,较活泼的铝被氧化作负极,铜作正极。

其电极反应为:

负极(Al):

2Al-6e-=2Al3+;正极(Cu):

6H++6e-=3H2↑。

在浓HNO3作电解质溶液的原电池中,因为Al在浓HNO3中钝化,较不活泼的铜作负极,其电极反应为:

负极(Cu):

Cu-2e-=Cu2+;正极(Al):

2NO3-+4H++2e-=2NO2↑+2H2O。

但随着反应的进行,浓HNO3逐渐变稀,正极电极反应又有:

NO3-+4H++3e-=NO↑+2H2O。

(3)注意电解质溶液的酸碱性改变会引起电极反应的改变

有些电池若改变其电解质溶液的酸碱性,虽不会改变电池的正负极,但却改变了电极反应。

例:

若将例2中的电解质KOH溶液改为稀硫酸,其它条件不变,试写出该电池两极的电极反应式。

解析:

该题虽只改变了电解质溶液的酸碱性,但总反应式与例2不相同了,其总反应式为CH4+2O2→CO2+2H2O。

这样,在正极上O2得电子生成的O2-会与稀硫酸中的H+结合生成水,而不再生成O

H-(OH-能与H+继续反应生成水)。

正极反应式为:

2O2+8H++8e-=4H2O,负极上的反应式则可用总反应式减去正极反应式(电子守恒)得:

CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+。

【典题训练1】(2010·广东高考·T23·6分)铜锌原电池(如图9)工作时,下列叙述正确的是

A正极反应为:

Zn—2e-=Zn2+

B电池反应为:

Zn+Cu2+=Zn2++Cu

C在外电路中,电子从负极流向正极

D盐桥中的K+移向ZnSO4溶液

【命题立意】本题主要考查电化学,属于电化学中的基础试题。

本题是由课本中的课后习题改编而成,说明课后习题的重要性,源于课本且新于课本,因此考查同学们学习过程中是否具备触类旁通、举一反三、勇于创新的精神,既属于基本知识的考查又属于能力的考查。

【思路点拨】

先由图示条件判断原电池的正负极→再结合原电池原理及原电池的有关性质进行判断

【规范解答】选BC。

Zn是原电池的负极,故A错;原电池总反应与没有形成原电池时的氧化还原反应相同,故B正确;根据闭合回路的电流方向,在外电路中,电流由正极流向负极,因电子流向与电流的方向相反,即电子由负极流向正极,故C正确;在溶液中,阳离子向正极移动,故D错。

二、电解质溶液的电解规律及有关的计算方法

1.电解规律(惰性电极)

溶质类别

电解总反应式[来源:

学。

科。

网Z。

X。

X。

K]

相当于电解

电解质溶液浓度

溶液pH

电解质溶液复原所需加入物质[来源:

学。

科。

网Z。

X。

X。

K]

NaOH溶液

强碱

2H2O

2H2↑+O2↑[来源:

学。

科。

网]

水[来源:

学|科|网Z|X|X|K][来源:

学*科*网]

增大

升高[来源:

Zxxk.Com]

H2SO4溶液[来源:

Z+xx+k.Com]

含氧酸

增大

降低

Na2SO4溶液

活泼金属的含氧酸盐

增大

不变

(两极混合液)

CuCl2溶液

不活泼金属的无氧酸盐

CuCl2

Cu+Cl2↑

电解质本身

减小

接近7

CuCl2

HCl溶液

无氧酸

2HCl

H2↑+Cl2↑

减小

升高

HCl

NaCl溶液

活泼金属的无氧酸盐

2NaCl+2H2O

H2+2NaOH+Cl2↑

电解质与水

生产新电解质

升高

HCl

CuSO4溶液

不活泼金属的含氧酸盐

2CuSO4+2H2O

2Cu+O2↑+2H2SO4

生产新电解质

降低

CuCl2

2.主要计算方法

原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算、根据电荷量求产物的量与根据产物的量求电荷量等的计算。

不论哪类计算,均可概括为下列三种方法:

1根据电子守恒法计算:

用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电荷量等类型的计算,其依据是阴、阳两级转移的电子的物质的量相等。

②根据电荷守恒法。

电解质溶液中阳离子所带正电荷总数与阴离子所带负电荷总数相等。

要特别注意守恒关系中换算单位的统一。

3根据总反应式计算:

先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列比例式计算,混合溶液的电解要分清阶段,理清两级电解过程中的电子守恒。

【典题训练2】(2010·海南高考·T9·4分)利用电解法可将含有Fe、Zn、Ag、Pt等杂质的粗铜提纯,下列叙述正确的是

A.电解时以精铜作阳极

B.电解时阴极发生还原反应

C.粗铜连接电源负极,其电极反应是Cu=Cu2++2e—

D.电解后,电解槽底部会形成含少量Ag、Pt等金属的阳极泥

【命题立意】本题考查电解池的基本原理及其应用,理解工业精炼铜的原理方法。

【思路点拨】电解精炼金属的过程:

【规范解答】选BD。

电解法精炼金属铜时,粗铜作阳极,失去电子逐渐溶解,Cu2+得到电子后析出,附着在阴极上,故精铜作阴极;在电解池中,阴极接电源的负极,发生还原反应,阳极接电源的正极,发生氧化反应,A、C错误B正确;越活泼的金属越易失去电子,故比铜活泼的Fe、Zn先失去电子,变成Fe2+、Zn2+进入溶液,然后是铜失去电子,变成Cu2+进入溶液,因Ag、Pt等金属不如铜活泼,故在铜溶解后便沉淀在阳极底部成为阳极泥,D正确。

【类题拓展】电解原理的另一应用是电镀,其原理为:

【高考真题探究】

1.(2010·福建理综·T11·6分)(铅蓄电池的工作原理为:

研读下图,下列判断不正确的是

A.K闭合时,d电极反应式:

B.当电路中转移0.2mol电子时,I中消耗的

为0.2mol

C.K闭合时,II中

向c电极迁移

D.K闭合一段时间后,II可单独作为原电池,d电极为正极

【命题立意】本题以蓄电池为载体,着重考查了考生对电化学相关知识的掌握情况,其中涉及到了电极反应式的书写、化学计算、离子移动方向的判断以及蓄电池的工作原理的考查。

将电化学有关知识与元素化合物、化学计算等学科内知识综合在一起进行考查,是高考命题的一个新的变化。

【思路点拨】解答本题应注意以下几个问题:

(1)书写电极反应式时应看清充放电的方向,同时注意元素价态的变化。

(2)结合装置,正确判断电极情况。

(3)熟练掌握蓄电池工作原理。

【规范解答】选C。

选项A:

K闭合时Ⅰ为原电池,Ⅱ为

电解池,Ⅱ中发生充电反应,d电极为阳极发生氧化反应,其反应式为PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-所以A正确。

选项B:

在上述总反应式中,得失电子总数为2e-,当电路中转移0.2mol电子时,可以计算出Ⅰ中消耗的硫酸的量为0.2mol,所以B项正确。

选项C:

K闭合时d是阳极,阴离子向阳极移动,所以C项错误。

选项D:

K闭合一段时间,也就是充电一段时间后Ⅱ可以作为原电池,由于c表面生成Pb,放电时做电源的负极,d表面生成PbO2,做电源的正极,所以D项正确。

2.(2010·江苏高考·T11·4分)如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。

下列说法正确的是

A.该系统中只存在3

种形式的能量转化

B.装置Y中负极的电极反应式为:

O2+2H2O+4e—=4OH—

C.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生

D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,

并能实现化学能与电能间的完全转化

【命题立意】本题以一种航天器能量储存系统为背景,考查能量转化及原电池、电解池相关原理。

注意能量转化的损耗,体现化学的真实性。

【思路点拨】注意从电解池和原电池有关原理分析系统中物质的转化、书写电极反应式,结合流程图、电化学原理分析系统中的能量转化,注意能量转化的损耗。

【规范解答】选C。

A项,该系统有太阳能转化为电能,电能转化为化学能,化学能转化为电能,电能转化为机械能,太阳能转化为机械能多种能量转化形式,A项错;B项,装置Y为原电池,负极发生氧化反应,应是H2反应,B项错;C项,装置X为电解池,其作用是将水转化为燃料(氢气)和氧化剂(氧气),C项正确;D项,化学能与电能间不可能完全转化,D项错。

【类题拓展】

原电池

电解池

能量转化

化学能→电能

电能→化学能

两极反应

正极(还原反应)

阳极(氧化反应)

负极(氧化反应)

阴极(还原反应)

3.(2010·新课标全国卷·T12·6分)根据右图,可判断出下列离子方程式中错误的是

A.2Ag(s)+Cd2+(aq)=2Ag+(s)+Cd(s)

B.Co2+(aq)+Cd(s)=Co(s)+Cd2+(aq)

C.2Ag+(aq)+Cd(s)=2Ag(s)+Cd2+(aq)

D.2Ag+(aq)+Co(s)=2Ag(s)+Co2+(aq)

【命题立意】本题主要考查原电池的有关知识。

【思路点拨】构成原电池时,必须存在一个能够自发进行的氧化还原反应。

【规范解答】选A。

第一个原电池装置中,Cd作负极,Co作正极,自发进行的氧化还原反应是Co2+(aq)+Cd(s)=Co(s)+Cd2+(aq);第二个原电池装置中,Co作负极,Ag作正极,自发进行的氧化还原反应是2Ag+(aq)+Co(s)=2Ag(s)+Co2+(aq)。

由以上两个方程式相加可得2Ag+(aq)+Cd(s)=2Ag(s)+Cd2+(aq),因此B、C、D都正确,Cd2+不能氧化Ag,所以A不正确,故本题选A。

4.(2010·北京高考·T6·6分)下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是

A.钢管与电源正极连接,钢管可被保护

B.铁遇冷浓硝酸表面钝化,可保护内部不被腐蚀

C.钢管与铜管露天堆放在一起,钢管不易被腐蚀

 D.钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应是

【命题立意】本题以生活中的钢铁腐蚀与防护为背景,体现了原电池和电解池的相关内容,主要考查电化学的基础知识。

【思路点拨】原电池中负极、电解池中阴极受保护,不被腐蚀。

【规范解答】选B。

A中钢管与电源正极连接,成为电解池的阳极而溶解,加速了钢管的腐蚀,故A项不符合题意。

铁遇冷浓硝酸表面钝化,形成了一层致密的氧化物保护膜,可保护内部不被腐蚀,故B正确。

钢管与铜管露天堆放在一起,潮湿的空气作为电解质溶液,铜管为正极、钢管为负极发生电化学腐蚀,加速了钢管的腐蚀,故C项不合题意。

钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应应是Fe-2e-=Fe2+,故D项不合题意。

【类题拓展】构成原电池,当作负极时会加快金属的腐蚀。

一般来说,金属腐蚀快慢的顺序是:

电解原理引起的腐蚀(作阳极)>原电池原理引起的腐蚀(作负极)>一般的化学腐蚀;当金属受保护时,保护效果排序是:

电解原理保护(作阴极)>原电池原理保护(作正极)>一般的保护措施。

5.(2010·山东高考·T29·

12分)对金属制品进行抗腐蚀处理,可延长其使用寿命。

(1)以下为铝材表面处理的一种方法:

①碱洗的目的是除去铝材表面的自然氧化膜,碱洗时常有气泡冒出,原因是______(用离子方程式表示)。

为将碱洗槽液中铝以沉淀形式回收,最好向槽液中加入下列试剂中的_______________。

a.NH3b.CO2c.NaOHd.HNO3

②以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极电极反应为_________。

取少量废电解液,加入NaHCO3,溶液后产生气泡和白色沉淀,产生沉淀的原因是___________________________。

(2)镀铜可防止铁制品腐蚀,电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是________________

______。

(3)利用如图装置,可以模拟铁的电化学防护。

 

若X为碳棒,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于______处。

若X为锌,开关K置于M处,该电化学防护法称为_______。

【命题意图】考查铝及其化合物的性质、电极反应式的书写、盐类水解、电镀及金属防腐的方法。

【思路点拨】Al(OH)3不溶于弱酸,也不溶于弱碱,但是碳酸的酸性强于偏铝酸,故NaAlO2溶液中通入CO2会有白色沉淀Al(OH)3生成;单种离子的水解程度不大,一般不会产生气体或沉淀,当两种离子相互促进水解时,往往容易产生气体或沉淀。

【规范解答】

(1)①冒气泡的原因是Al与NaOH反应,化学方程式为:

2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑;

使AlO2-生成沉淀,最好是通入CO2,若加HNO3,沉淀容易溶解。

②阳极是Al发生氧化反应,要生成氧化膜,还必须有H2O参加,故电极反应式为:

2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+;加入NaHCO3溶液后产生气泡和白色沉淀,是由于废电解液中含有Al3+和HCO3-相互促进水解。

(2)电镀时,阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+,以补充Cu2+.

(3)铁被保护,可以是做原电池的正极,或者电解池的阴极,故若X为碳棒,开关K应置于N处,Fe做阴极受到保护;若X为锌,开关K置于M处,铁是做正极,锌作负极,称为牺牲阳极的阴极保护法。

【答案】

(1)①2Al+2OH-+2H2O===2AlO2-+3H2↑;b

②2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+;因为Al3+和HCO3-相互促进水解:

Al3++3HCO3-===Al(OH)3↓+3CO2↑

(2)阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+。

(3)N牺牲阳极阴极保护法

【类题拓展】

1.电镀:

待镀金属制品作阴极,镀层金属作阳极,含有镀层金属离子的溶液作电镀液,阳极反应:

M–ne-=Mn+(进入溶液),阴极反应Mn++ne-=M(在镀件上沉积金属)

2.电解精炼铜:

以粗铜为阳极,精铜为阴极,含铜离子的溶液作电解质溶液。

电解时发生如下反应:

阳极(粗铜):

Cu-2e-=Cu2+;阴极(纯铜):

Cu2++2e-=Cu。

3.电冶金:

Na、Mg、Al的制取,如,电解熔融NaCl制金属Na:

2NaCl(熔融)=2Na+Cl2↑。

4.金属腐蚀的快慢:

在相同的电解质溶液中,金属腐蚀的快慢一般为:

电解池的阳极>原电池负极>化学腐蚀>电解池阴极、原电池正极。

5.金属腐蚀和电化学腐蚀的比较:

电化学腐蚀(吸氧腐蚀)

化学腐蚀

条件

不纯金属或合金与电解质

溶液接触构成微小原电池

金属跟接触物质(多为非电解质)

直接反应

现象

有微弱电流产生

无电流产生

结果

活泼金属被腐蚀

较不活泼金属得到保护

各种金属都有可能被腐蚀

实例

负极:

2Fe-4e-=2Fe2+

正极:

O2+2H2O+4e-=4OH-

2Fe+3Cl2=2FeCl3(某些工厂)

本质

金属原子失去电子被氧化而损耗

联系

两种腐蚀同时发生,但电化腐蚀较化学腐蚀普遍,钢铁以吸氧腐蚀常见

金属的防护

①改变金属内部结构,如制成不锈钢;②在金属表面覆盖保护层,如电镀、涂油、喷漆、搪瓷、镀氧化膜(致密),目的使金属制品与周围物质隔开;③电化学保护法(被保护金属作为原电池的正极或电解池的阴极)

 

6.(2010·天津高考·T7·14分)X、Y、Z、L、M五种元素的原子序数依次增大。

X、Y、Z、L是组成蛋白质的基础元素,M是地壳中含量最高的金属元素。

回答下列问题:

⑴L的元素符号为________;M在元素周期表中的位置为________________;五种元素的原子半径从大到小的顺序是____________________(用元素符号表示)。

⑵Z、X两元素按原子数目比l∶3和2∶4构成分子A和B,A的电子式为___,B的结构式为____________。

⑶硒(se)是人体必需的微量元素,与L同一主族,Se原子比L原子多两个电子层,则Se的原子序数为_______,其最高价氧化物对应的水化物化学式为_______。

该族2~5周期元素单质分别与H2反应生成lmol气态氢化物的反应热如下,表示生成1mol硒化氢反应热的是__________(填字母代号)。

a.+99.7mol·L-1b.+29.7mol·L-1c.-20.6mol·L-1d.-241.8kJ·mol-1

⑷用M单质作阳极,石墨作阴极,NaHCO3溶液作电解液进行电解,生成难溶物R,R受热分解生成化合物Q。

写出阳极生成R的电极反应式:

______________;由R生成Q的化学方程式:

_______________________________________________。

【命题立意】本题以元素的推断为背景,综合考查了元素符号的书写、元素位置的判断和原子半径大小的比较;考查了电子式、结构式的书写,元素周期律和电极反应式、化学方程式的书写,是典型的学科内综合试题。

【思路点拨】解答本题的突破口是地壳中含量最高的金属元素和蛋白质的组成。

【规范解答】

(1)X、Y、Z、L是组成蛋白质的四种元素且原子序数依次增大,故分别为:

H、C、N、O元素;M是地壳中含量最高的元素,为Al,其在周期表的位置为第3周第ⅢA族;再根据五种元素在周期表的位置,可知半径由大到小的顺序是:

Al>C>N>O>H。

(2)N和H1:

3构成的分子为NH3,电子式为

;2:

4构成的分子为N2H4,其结构式为

(3)Se比O多两个电子层,共4个电子层,1→4电子层上的电子数分别为:

2、8、18、6,故其原子序数为34;其最高价氧化物对应的水化物的化学式类似H2SO4,为H2SeO4。

非金属性越强,与氢气反应放出的热量越多,故2→5周期放出的热量依次是:

d、c、b、a,则第四周期的Se对应的是b。

(4)Al作阳极失去电子生成Al3+,Al3++3HCO3-==Al(OH)3+3CO2,2Al(OH)3

Al2O3+3H2O。

【答案】

(1)O第三周第ⅢA族Al>C>N>O>H

(2)

(3)34H2SeO4b

(4)Al-3e-

Al3+Al3++3HCO3-==Al(OH)3+3CO22Al(OH)3

Al2O3+3H2O。

【类题拓展】

电解时电极产物的判断

(1)阳极产物的判断:

首先看阳极电极材料,若阳极电极材料是活性电极(金属活动性顺序表中Ag之前的金属单质),则阳极电极材料失去电子,阳极溶解,溶液中的阴离子不发生变化;若阳极电极材料是惰性电极(Pt、Au、石墨),则要看溶液中阴离子的失电子能力,此时可根据阴离子放电顺序加以判断,阴离子的放电顺序为:

S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-。

(2)阴极产物的判断:

直接根据阳离子放电顺序加以判断,阳离子的放电顺序与金属活动性顺序表相反,其中:

Ag+>Fe3+>Cu2+>H+;电镀时:

Zn2+>H+。

强调:

阴极电极材料与金属活动性无关。

【专题模拟演练】

一、选择题

1.普通水泥在固化过程中自由水分子减少并形成碱性溶液。

根据这一物理化学特点,科学家发明了电动势法测水泥的初凝时间。

此法的原理如图所示,反应的总方程式为:

2Cu+Ag2O=Cu2O十2Ag下列有关说法正确的是

A.工业上以黏土、石灰石和石英为主要原料来制造普通水泥

B.负极的电极反应式为:

C.测量原理示意图中,电流方向从Cu经过导线流向Ag2O

D.电池工作时,溶液中

向正极移动

2.右图是水煤气(成分为CO、H2)空气燃料电池的工作原理示意图,a、b均为惰性电极。

下列叙述中正确的是()

A.A处通人的是空气,B处通人的是水煤气

B.a电极发生还原反应,b电极发生氧化反应

C.a电极的反应式包括:

CO+4OH-+2e-=CO

+2H2O

D.如用这种电池电镀铜,待镀金属增重6.4g,则至少消耗标准状况下的水煤气2.24L

3.已知锌能溶解在NaOH溶液中,生成Na2和H2。

某同学据此设计了测定镀锌铁皮镀层厚度的实验方案,将单侧面积为S、质量为m1的镀锌铁皮与石墨用导线相连,放入6mol/LNaOH溶液中:

当石墨棒上不再有气泡产生时,取出铁片用水冲洗、烘干后称量,得质量为m2。

下列说法正确的是

A.设锌镀层厚度为h,锌的密度为ρ

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