教育部93學年度高級中學化學科能力競賽決賽競賽試題及參考答案

I、實作(一)試題

題目:影響反應速率因素的探討

※注意:進入實驗室後請依序穿上實驗衣、號碼衣及配戴安全眼鏡。請檢視此試題之藥品及器材是否齊全的置於實驗桌上,若有短缺,請舉手請工作人員處理。

壹、說明:大理石與酸反應可產生氣體,本實驗乃利用此一化學性質,配合排水集氣法的技術,來探討影響反應速率的因素。

貳、藥品:

一、不同顆粒大小的花蓮大理石樣品三種。

二、稀鹽酸溶液 300mL

參、器材:

一、個人使用器材:

   

1. 鐵架

1

2. 滴定管夾

1

3. 50mL滴定管(須事先測試不漏水)

1

4. 燒杯50mL

1

5. 量筒100mL

1

6. 250mL抽濾瓶(含橡皮塞一個與120cm橡皮管一條)

1

7. 洗滌瓶

1

8. 試藥匙

1

9. 滴管

1

10. 稱量紙

2

11. 透明塑膠水槽(高約15~20cm、寬約20~25cm

1

12. 天平(最小刻度0.01克)

1

13. 小巧燒杯(1mL

3

14. 玻璃珠

3

二、共用器材:

1. 蒸餾水

2. 廚房紙巾

肆、實驗步驟:

一、製作標準曲線圖:

1. 取約0.20克之花蓮大理石樣品放入內裝有一顆玻璃珠的小巧燒杯內,同時紀錄大理石確實之重量。

2. 將滴定管裝滿水,倒置入裝有適量水的水槽內,同時以鐵架固定滴定管。

3. 緩慢打開滴定管開關,讓水排出至水位降到刻度內止,紀錄正確讀數。

4. 用鑷子將含有大理石之小巧燒杯夾入含有60mL鹽酸溶液的抽濾瓶中,蓋上橡皮塞,接上橡皮管,橡皮管另一端則放入滴定管內,完成排水集氣的裝置。

反應裝置圖

5. 緩緩將抽濾瓶傾斜,讓抽濾瓶內之酸液進入小巧燒杯內與樣品反應(按下計時器計時,並以鑷子墊在抽濾瓶下,見上圖),此時反應所產生之氣體會經由橡皮管進入滴定管內,紀錄反應的時間和氣體的產量直到反應完全結束。

6. 秤取相同重量的不同樣品,重複此一實驗。

7. 將上述實驗數據填入附加的表格中。

8. 利用提供之方格紙,將三次不同樣品的實驗結果,以時間對氣體產量,作圖於同一個座標系統中。

伍、問題:

一、請問大理石的主要成分是什麼?其與酸反應之平衡方程式為何?

二、依據問題一之反應方程式,說明大理石與酸反應的速率和氣體產生的速率相同。

三、定性討論您實驗所得的曲線圖。

 


 

實作(一)參考答案

一、請問大理石的主要成分是什麼?其與酸反應之平衡方程式為何?

1. CaCO3

2. CaCO3(S) 2HCl(aq) CaCl2(aq) H2O(l) CO2(g)

 

二、依據問題一之反應方程式,說明大理石與酸反應的速率和氣體產生的速率相同。

由反應方程式可知消耗一莫耳的CaCO3可同時產生一莫耳的CO2氣體。

 

三、定性討論您實驗所得的曲線圖。

1.不同時段的反應性質。

2.不同樣品的曲線圖比較。


 

II、實作(二)試題

題目:未知弱酸之濃度測定及緩衝溶液的配製

※注意:進入實驗室後請依序穿上實驗衣、號碼衣及配戴安全眼鏡。請檢視此試題之藥品及器材是否齊全的置於實驗桌上,若有短缺,請舉手請工作人員處理。

壹、藥品:

1. 未知樣品(溶液)一瓶(約100 mL

2. 0.2 ml KHP溶液一瓶(約50mL

3. 氫氧化鈉固體(置於講桌上,共用)

4. 酚酞指示劑(置於講桌上,共用)

5. 蒸餾水(置於講桌前,共用)

貳、器材:

一、個人器材

  

1. 滴定管(50 mL

二支

2. 滴定管架

一組

3. 燒杯(100 mL

三個

4. 三角錐瓶(125 mL

三個

5. 量瓶(250 mL

一個

6. 量瓶(50 mL

一個

7. 乳頭吸管

二支

8. 玻棒(20 cm

一支

9. 天平(至少可秤200g,精密至0.01g

一台

10. 洗滌瓶

一個

11. 漏斗

一個

12. 有編號之PE瓶(50 mL

一個(專供配好之溶液繳回評分使用)

二、共用器材

稱量紙(置於講桌上,共用)

參、說明:

未知樣品為一單質子酸,HA,(其pKa4.75)之水溶液,濃度介於0.10.5M之間。請利用前頁所提供之藥品、器材,自行設計實驗:

一、測定此未知樣品溶液中,單質酸,HA,的濃度。

二、取此未知樣品10.0 mL,配製pH值為5.0之緩衝溶液50 mL(所配緩衝溶液請置於所提供之指定PE瓶中並繳回評分)。

※評分標準:

1.所測未知弱酸之濃度是否準確?(20%

2.所配緩衝溶液之pH值是否接近5.0?(10%

3.實驗基本操作是否正確?(20%

4.測定未知弱酸濃度之方法、實驗步驟、數據處理等是否正確?(20%

5.配製緩衝溶液之方法、實驗步驟、計算等是否正確?(20%

6.是否注意實驗室安全與環保?(5%

7.其他。(5%

肆、問題:

一、所測得之未知弱酸濃度為:                M

二、請寫出測定未知弱酸濃度之方法、實驗步驟及數據處理。

三、請寫出配製緩衝溶液之方法、實驗步驟及計算等。


 

實作(一)、(二)參考答案

實作(二)參考答案

一、配製0.1M NaOH溶液 250ml

稱取1.0克(0.025莫耳)NaOH(不可以稱量紙裝NaOH)置於100ml燒杯中,加入些許蒸餾水使其溶解,再置入250ml量瓶中,加入蒸餾水至刻度,充分混合後,備用。

二、以KHP標定NaOH溶液:

1.取(2030mlKHP溶液加入12滴酚酞指示劑,以NaOH溶液滴定之。

2.取同量於KHP溶液之蒸餾水,加入12滴酚酞指示劑,以NaOH溶液滴定,作為空白滴定。

3.計算NaOH溶液之濃度(利用N1V1N2V2)。

4.重複以上步驟數遍,並取平均值(NaOH溶液之濃度為0.100M)。

三、未知酸溶液之濃度測定:

1.10ml未知酸溶液,加入12滴酚酞指示劑,以NaOH溶液滴定。

2.10ml蒸餾水,加入12滴酚酞指示劑,以NaOH溶液滴定,作為空白滴定。

3.計算未知酸溶液之濃度(利用N1V1N2V2)。

4.重複以上步驟數遍,並取平均值(未知酸濃度為0.288M)。

四、pH5之緩衝溶液配製:

1.計算pH5之緩衝溶液之

2.計算應加入X毫升之NaOH溶液(得X18.43ml)。

3.10ml未知酸溶液和18.43mlNaOH溶液,置入50ml量瓶中,並加蒸餾水稀釋至刻度,充分混合後即得pH5之緩衝溶液。


 

III、筆試(一)(二)試題

※注意:1. 選擇題請將答案填寫於"()"內。

2. 非選擇題(簡答題與計算題)請於本試題卷上作答。

3. 可使用電子計算機。

一、選擇題(單複選)( 36%,每題2%,答錯不扣分 )

(      ) 1. 人體中數目最多及次多的元素是?

(A) H及C    (B) O及S    (C) H及N    (D) Ca及C    (E) H及O

(      ) 2. 人體中總重量最大的元素是?

(A) Fe    (B) H    (C) Ca    (D) C    (E) O

(      ) 3. 同位素的性質比較何者不正確?

(A) 質量相異   (B) 化性相同   (C) 中子數不同  (D) 在週期表的位置不同

(E) 中子數相同

(      ) 4. 反應半生期t1/2與反應物起始濃度成一次方反比的是:

(A) 零級反應  (B) 一級反應  (C) 二級反應  (D) 三級反應  (E) 以上皆是

(      ) 5. 氫原子2s軌域之平均半徑是其3s 軌域平均半徑之:

(A) 1/2 倍     (B) 4/9 倍    (C) 1/4 倍    (D) 2/3 倍    (E) 1/3 倍

(      ) 6. 已知類氫原子(只有一個電子的原子或陽離子)之軌域能量正比於其原子序的平方,則氫之1s軌域之平均半徑是氦一價陽離子1s軌域平均半徑之:

(A) 1/2 倍     (B) 4/9 倍    (C) 1/4 倍    (D) 2/3 倍    (E) 1/3 倍

(      ) 7. 若某單醣的分子式為C6H12O6,那麼其形成三醣的分子式為何?

(A) C18H36O18  (B) C18H32O16  (C ) C18H34O17  (D) C18H30O65  (E) C6H12O6

(      ) 8. 下列原子或離子在基態時,其電子組態含有不成對電子者為:

(A) C2+     (B) Cu+     (C) Zn2+     (D) Sc3+     (E) Cr3+

(      ) 9. 水壺底的白色鍋垢可以用何種東西清洗?

(A) 洗碗精    (B) 漂白水    (C)        (D) 氨水    (E) 小蘇打粉

(      ) 10. 請依酸的強弱排列下列的酸 HClO   HClO2   HClO3  HClO4

(A) HClO < HClO2 < HClO3 < HClO4      (B) HClO2 < HClO3 < HClO4 < HClO

(C) HClO4 < HClO < HClO2 < HClO3      (D) HClO4< HClO3 < HClO2 < HClO

(E) 酸的強弱相同

(      ) 11. 不同的指示劑有不同的變色範圍((pH值)及顏色,如下表所示。在以HCl(aq) 滴定NH3(aq)實驗中,下列哪些指示劑不適合?

(A) 酚    (B) 茜素黃R    (C) 甲基紅    (D) crystal violet


 

指示劑之變色範圍(pH值)及顏色

名稱(中)

名稱(英)

酸型顏色

變色範圍

鹼型顏色

 

 crystal violet

   

   0---2

   

 瑞香酚藍

 thymol blue

   

   1---3

   

   

   8---9

   

 甲基橙

 methyl orange

   

   3---5

   

 甲基紅

 methyl red

   

   4---6

   

 瑞百里酚藍

 bromthymol blue

   

   6---8

    

 石蕊

 litmus

   

   6---8

   

 酚酞

 phenolphthalein

  (無色)

   8---10

   

 茜素黃R

 alizarine yellow R

   

  10---12

   

(      ) 12. 下列哪些為緩衝液?

(A) A液 = 1.0 L溶液(0.50 M CH3CO2H + 0.5 M CH3CO2Na

(B) B液 = 1.0 L 溶液(0.50 M NaCl + 0.50 M NaOH

(C) C液 = 1.0 L溶液(0.50 M NH4OH + 0.5 M NH4Cl

(D) D液 = 1.0 L 溶液(0.50 M NaCl + 0.50 M HCl

(      ) 13. 未知濃度Fe2+溶液20.00mL,以0.100MKMnO4溶液在酸性下滴定,當滴入25.00mL後,KMnO4紫色不再消退,計算Fe2+溶液濃度?

(A) 0.125 M        (B) 0.625 M       (C) 0.375 M                (D) 0.250 M

(      ) 14. 下列何者沸點最高:

(A) C2H5I       (B) C2H5OH      (C) C2H5Br      (D) C2H5Cl

(      ) 15. 下列化合物何者不與多倫試劑產生銀鏡:

(A) CH3CHO    (B) CH3COCH3    (C) HCHO      (D) CH3CH2CHO

(      ) 16. 藥用酒精含有乙醇:

(A) 100%    (B) 95%     (C) 85%     (D) 75%

(      ) 17. 下列化合物何者可與碘仿試劑形生碘仿黃色沈澱:

(A) CH3OH    (B) C2H5OH    (C) CH3CH2CH2OH    (D) (CH3)3COH

(      ) 18. 天然氣何者成分最高:

(A) CH3OH    (B) CH4    (C) C2H6    (D) CH3CH2CH3

 

二、非選擇題(簡答題與計算題)( 64% )

(一)有關於氧分子(O2)、超氧離子(O2-)、過氧離子(O22-)。 ( 20% )

A)請依氧氧鍵的強弱排列。

B)哪一個為最不穩定的離子或分子?為什麼?

C)O2- 容易進行自身氧化還原,請寫出其反應方程式,並平衡其式子。

D)鐵超氧分解酶(iron superoxide dismutase),為細胞裡的一種酵素,其酵素的活化中心為鐵離子,利用Fe3+/Fe2+的轉換催化O2-進行自身氧化還原,請提出可能的催化反應機制。

(二)何謂辛烷值?如何才可增加汽油中辛烷值? ( 12% )

(三)已知Ag+(aq)2NH3(aq)→Ag(NH3)2+ (aq)     K=1.8×107

AgBr(s)→Ag+(aq)Br- (aq)            Ksp=7.2×10-13

 

求在1000 ml0.5 MNH3水溶液中,可溶解AgBr(s)有多少克? ( 10% )

(原子量:Ag=108Br=80

(四)有機混合物的分離實驗操作中在何種情況下,可安排下列的分離方法? ( 12% )

A)減壓蒸餾

B)水蒸氣蒸餾(steam distillation

C)分餾(fractional distillation

(五)試以原子之第一游離能對原子序(Z=1 10)作圖縱軸為游離能、橫軸為原子序,並說明游離能如此變化之原因。 ( 10%)


 

I筆試(一)(二)參考答案

一、選擇題(單複選)( 36%,每題2%,答錯不扣分 )

題號

1

2

3

4

5

6

7

8

9

答案

E

E

DE

C

B

O

B

E

C

題號

10

11

12

13

14

15

16

17

18

答案

A

ABD

AC

B

B

B

B

B

B

二、非選擇題(簡答題與計算題)( 64% )

(一)  (a) O2 > O2- > O22-

(b) O2- 有自由基

(c) 2O2- à O2  +  O22-

(d) O2-  +  Fe3+ à  O2  +  Fe2+ 

O2-  +  Fe2+ à  O22-  +  Fe3+ 

(二)

(A)異辛烷O. N.100

(B)支鏈烷烴、烯烴、芳香烴正庚烷CH3(CH2)5CH3             O. N.0

(三) AgBr(s) 2 NH3(aq) → Ag(NH3)2+ (aq) Br- (aq)    K=12.96×10-6

          0.5-2X        X          X

K=12.96×10-6= X2/(0.5-2X)2

X/(0.5-2X) =3.6×10-3

X1.8×10-3M

可溶解1.8×10-3×1880.3348 g

(四)(A) 欲分離有機物加高熱會分解破壞的混合物。

(B) 欲分離有機物與水不互溶,在加熱後與水成共沸物,在100℃下可與水共同被蒸餾出。

(C) 有機混何物沸點很接近且種類較多之分離方法。

(五) H > Li (> Na), He > Ne 1s 層對電子束縛力較2s層大。

H – He:游離能漸增因有效核電荷漸增。

Li– Ne:游離能漸增因有效核電荷漸增Be N之游離能異常()乃因副層填滿 (2s2) 和半填滿 (2p3) 額外穩定。


 

IV、筆試(三)(四)試題

※注意:1. 選擇題請將答案填寫於"()"內。

2. 非選擇題(簡答題與計算題)請於本試題卷上作答。

3. 可使用電子計算機。

一、選擇題(單複選)(24%,每題2%,答錯不扣分 )

(      ) 1.  NaCl在下列那一種溶液中之溶解度最小

(A) HF     (B) CH3OH     (C) CH3COCH3       (D) H2O     (E) CCl4

(      ) 2.  在一特定之壓力溫度下,下列何種氣體,對理想氣體方程產生最大偏差?

(A) N2      (B) NH3       (C) NO       (D) Ne       (E) NF3

(      ) 3. 下列哪一種法,最適合用來決定氧基血紅素之分子量?(分子量之數值大至好幾千克)

(A) 蒸氣壓降低 (B) 沸點上升 (C) 凝固點下降 (D) 滲透壓 (E) 以上均可

(      ) 4. 原子序117之元素,至今還未被發現及合成,若此元素存在時,在週期表之位置是:

(A) 過渡性金屬元素     (B) 氧族元素      (C) 代表性金屬元素

(D) 惰性氣體           (E) 鹵素

(      ) 5. 根據現今的原子理論,下列關於道耳吞所提出的原子理論中,有哪一個敘述是不正確的?

(A) 元素是由稱為原子之微小粒子所構成的。

(B) 同一元素由相同原子所構成,不同元素由不同原子所構成。

(C) 化學反應(註:非核反應)不過是原子的重新排列組合,反應前後,原子既不會被消滅亦不會被創造。

(D) 原子無法以化學反應的方式被細分成更小的粒子。

(E) 以上皆正確。

(      ) 6. 質量同為1克之不同理想氣體樣品在等溫、等體積條件下,將各氣體壓力對其分子量作圖,其關係最接近下列何者?

(A)          (B)          (C)           (D)          (E)以上皆非

 

 

(      ) 7. 有一化合物,已知其分子式為A2B,其重量百分率為60% A40% B

請問當化合物之分子式為AB2時,其個別元素之重量百分比為何?

(A) 50% A50% B     (B) 40% A60% B     (C) 27% A73% B

(D) 33% A67% B     (E) 以上皆非


 

(      ) 8. 一溶液同時含有Ag+Pb2+Ni2+等正離子。我們可以使用NaClNa2SO4Na2S等三種水溶液將前述三種正離子予以分離。請問加入的順序為何才能成功將三種正離子分離?

(A) Na2SO4, Na2S, NaCl  (B) Na2S, NaCl, Na2SO(C) NaCl, Na2SO4, Na2S

(D) NaCl, Na2S, Na2SO4  (E) Na2SO4, NaCl, Na2S

(      ) 9. 有一鹽類,MX,欲計算其水溶液的體積莫耳濃度時,何者是必須已知的?

Ⅰ、所加入之MX的質量。

Ⅱ、一莫耳MX所擁有的克數。

Ⅲ、所加入之水的體積。

Ⅳ、此溶液總體積。

(A) IIIII    (B) IIII    (C) IIIIII   (D) IIIIV   (E) 全都需要

(      )10. 一重量百分率濃度為10%NaOH水溶液100克,以鉑電極將其電解,產生之氣體總體積在S.T.P狀態下為6.72升,若電解過程中水不蒸發,請問下列敘述何者正確?(假設所產生氣體皆符合理想氣體)

(A) 需消耗電量0.6法拉第        (B)  NaOH濃度變為10.4%

(C)  NaOH的重量會減少        (D) 產生氫氣0.5

(E)  5克的水被電解生成氫及氧

(       )11. 一中性元素之電子組態為1s22s22p4,此元素最容易與下列何者中性元素形成離子化合物:

(A) 1s2     (B) 1s22s2     (C) 1s22s22p5     (D) 1s22s22p6

(       )12. 磁場對於下列那一個分子會產生作用?

(A) CO2    (B) O2     (C) N2      (D) BF3     (E) CH4

 

二、非選擇題(簡答題與計算)( 76% )

(一)A、氯化氫氣體非常容易溶於水,假若氯化氫是一理想氣體,若欲配置4.73 M的鹽酸500.0mL。請問需要量取壓力在748 mmHg,溫度在26.40C的氯化氫氣體多少體積? ( 5% )

B4.73 M HCl的密度是1.08g/mL,假若HCl在溶液中100%解離成H+ Cl+ 試計算4.73 M HCl溶液中水的摩爾分率是多少? ( 5% )

 

(二)將下列下列物質分類成酸鹼及鹽或非電解質: ( 4% )

(A) CH3NH2            (B) (NH4) 2CO3          (C) Na2CO3          (D) CH3OH

(E) CH3CH2COOH   (F) Sr(OH)2              (G) HNO2            (H) LiClO4

 

(三)將下列雙原子物種,依照鍵長之長短次序排列: ( 4% )

(A) NO +          (B) O2-          (C) CO         (D) O2+      (E) N2+

(四)對於 , 二陰離子:

(A) 對每一個陰離子畫出二個(含)以上的Lewis結構。 ( 10% )

(B) (A)結構中的原子之氧化數(oxidation number)以及形式電荷(formal charge)標示出來。 ( 10% )

(C) (B)的結果預測每一個陰離子的穩定結構。 ( 4% )

(D) 畫出(C)的三維結構。 ( 4% )

(五)某電鍍工廠之廢水中,含有Cd2+的重量百分率為0.0006%,此廢水中Cd2+含量應為多少ppm? ( 5% )

(六)1.00克之鈾氧化物,用氟氣處理,生成氧氣與0.98克之UF6,問此鈾氧化物之最簡單化學式為何?(原子量:U = 238F = 19 ( 5% )

(七)0.1M的下面四種鹽類的水溶液中請依照溶液中的pH值由大往小依序排列?( 5% )

NH4NO3,  NaHSO4,  NaHCO3,  Na2CO

(八)平衡下列方程式:( 5% )

Cr2O72- (aq) + H2CO →HCOOH + Cr3+ (aq) (在酸性水溶液中)

(九)已知在50℃的蒸氣壓純苯為268mmHg,純二氯乙烷為236mmHg。假設兩者混合溶液為理想溶液,在此溫度下當溶液中苯的莫耳分率為0.602時,計算混合溶液之蒸氣相中苯的莫耳分率? ( 5% )

(十)已知下列反應能發生:( 5% )

A(s) + B2+ (aq) → B(s) + A2+ (aq)

C(s) + D2+ (aq) → C2+ (aq) + D(s)

C(s) + B2+ (aq)無反應

ABCD的氧化電位由高到低的順序為何?

 


 

◆筆試(三)(四)參考答案

一、選擇題(單複選)(24%,每題2%,答錯不扣分 )

題號

1

2

3

4

5

6

答案

E

B or E

D

E

B

E

題號

7

8

9

10

11

12

答案

C

E

D

B

B

B

 

二、非選擇題(簡答題與計算)( 76% )

(一)(A) 0.5000L×4.73mol/L2.365 mol HCl in sol’n

assuming HCl is an idea gas

VnRT/P 2.365 × 62.363 LmmHgmol-1K-1×299.4 /74859.1 L

(B) 4.73×36.461=172.5 g

1 L=1080 g          72.5 g HCl  and  907.5 g H2O

907.5/18.01550.38 mol

XH2O 50.38/(50.38+4.73×2)0.84

(二)酸:(E) CH3CH2COOH(G) HNO2

鹼:(A) CH3NH2(F) Sr(OH)2

鹽:(B) (NH4) 2CO3 (C) Na2CO3(H) LiClO4

非電解質:(D) CH3OH

(三)O2-N2+~O2+CO~ NO +

(四)(a)(b)


 

(c)(d)

       

(五)0.0006%=6.0×10-4g/100 g=6.0×10-6g/ g=6 ppm

(六)W U=0.98×238/(238+19×6)=0.667 g

W O=1- 0.663=0.337 g

X: Y0.663/238:0.337/161:7.5           U2O15

(七)Na2CO3 NaHCO3,NH4NO3,NaHSO4,

(八)Cr2O72- (aq) + 3 H2CO + 8 H+→ 3 HCOOH + 2 Cr3+ (aq)+4 H2O(l)

(九)(1-0.602)×236=93.9 mmHg   二氯乙烷蒸氣壓

0.602×268=161.3 mmHg   苯蒸氣壓

Y=161.3/(161.3+93.9)=0.632

(十)ABCD


 

V、口試

行動電話cellular phone 是以什麼發射訊號?

微波microwave是不是電磁輻射electromagnetic radiation

微波爐裡的微波怎樣加熱食物?

下列那一個酸是脂肪酸?

(1) CH3(CH2)11COOH   (2) CH3(CH2)13COOH

(3) CH3(CH2)15COOH   (4) CH3(CH2)16COOH

下列那一個化合物的熔點最高?

(1) CH3(CH2)16COOH

(2) CH3(CH2)8CHCH(CH2)8COOH

(3) CH3(CH2)5 CHCH(CH2)2CHCH(CH2)5COOH

(4)   CH3(CH2)12COOH

有文獻,報導手機電磁波可能會對人體造成不良之影響,請問手機電磁波對可能之不良影響產生之機制為何?

(a)試舉出原子或離子間之化學鍵的三種基本類型是什麼?並在每一類型中舉出一實例,這些鍵型有何不同?

(b)試舉出三種分子間的引力?

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許多廠商宣稱臭氧空氣清淨器可以有效的消滅室內空氣裡的細菌喝除去污染物,進而保護健康,你同意嗎?同意的理由為何?不同意的理由為何?

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