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41PROMILITARES.COM.BR ESTRUTURA ATÔMICA II ESTUDO DA ELETROSFERA E NÚMEROS QUÂNTICOS NÍVEIS DE ENERGIA NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL (n) Localiza o elétron em seu nível de energia n = ( 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ......... ∞) EQUAÇÃO DE RYDBERG Relaciona a frequência e/ou comprimento de onda emitido pelo elétron ao se deslocar de um estado quântico n1 para o estado quântico n2. Essa equação é baseada no modelo do átomo de hidrogênio. 2 2 1 2 1 1 1 R (n ) (n ) = − λ onde R é a constante de Rydberg (1,097 x 107m-1) ALGUMAS EQUAÇÕES IMPORTANTES SOBRE O MODELO ATÔMICO DE BOHR • Momento Angular do elétron: nh m v R 2 ⋅ ⋅ = π Onde: m → massa do elétron v → velocidade do elétron. n → número da órbita do elétron ou número quântico principal. h → constante de Planck. • Velocidade do elétron: 2 0 Ze v 4 nh = πε Onde: Z → carga nuclear do átomo ou número atômico. e → carga do elétron. e0 → constante de permissividade elétrica no vácuo. • Raio da órbita do elétron: 2 2 22 2 0 0 02 2 n h hn n R a z e m Z e m Z ε ε = = = π π Onde: m → massa do elétron. a0 → raio de Bohr • Quantidade de energia emitida por um elétron 2 4 2 4 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 A Z e m Z e m Z E A n 8 h n 8 h n = − = − = − π ε π ε • Constante de Rydberg: A R hc = Onde: c → velocidade da luz no vácuo. SUBNÍVEIS DE ENERGIA Nos experimentos com espectroscopia e difração da luz emitida durante a transição eletrônica de átomos no estado gasoso, foi possível observar que havia uma raia de diferentes comprimentos de onda emitidos, dentro de uma mesma estreita faixa, de um mesmo nível de energia. Foi então que, em 1919, o físico inglês Arnold Sommerfeld (1868-1951) buscou uma solução. Ele propôs que os elétrons deveriam assumir órbitas elípticas variadas dentro de um mesmo nível, com mesma energia, permitindo um “espectro de raias” na emissão de luz. Cada órbita recebeu o nome de subnível e, cada qual, foi identificado com uma letra: s, p, d ou f (letras relacionadas às palavras do inglês: sharp, principal, diffuse e fundamental; visto a descrição do comportamento de cada orbital). n = 4 n = 5 4s 4p 4d 4f Energia Crescente 42 ESTRUTURA ATÔMICA II PROMILITARES.COM.BR SUBNÍVEL s p d f NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRONS 2 6 10 14 NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO (L) 0 1 2 3 PRINCÍPIO DA INCERTEZA (HEISENBERG) Por estar em constante movimento, é impossível determinar simultaneamente a posição e a velocidade de um elétron. Essa conclusão nos levou a tratar o elétron num ambiente probabilístico. PRINCÍPIO DA DUALIDADE (LOUIS DE BROGLIE) O elétron, apresar de ser uma partícula de carga elétrica negativa, poderá ter a sua energia associada a uma onda de natureza eletromagnética. Sendo assim podemos descrevê-lo por equações matemáticas da mecânica, como também atribuir ao mesmo uma equação de onda. EQUAÇÃO DE SCHRÖDINGER 2 2 2 h U E 2m x ∂ ψ − + ψ = ψ ∂ Através dessa equação, surgiu a necessidade de estabeler uma função probalilidade denominada de orbital. ORBITAL É a região do espaço onde existe a maior probabilidade de se encontrar o elétron. NÚMERO QUÂNTICO MAGNÉTICO (M) OU (ML) E REPRESENTAÇÃO DOS ORBITAIS O número quântico magnético associado com o estado quântico é denominado m. O número quântico m se refere vagamente à direção do momento angular do vetor. O número magnético m não afeta a energia do elétron, mas afeta nuvem eletrônica. Forma Geométrica dos Orbitais Atômicos segunda a resolução da Equação de Schrödinger De uma forma mais simplificada, podemos dizer que o número quântico magnético procura localizar o elétron em seu orbital. ml = {-l ; .... ; 0 ; ..... ; +l } orbital s orbitais p orbitais d orbitais f 0 -1 +1 -2 +2 -3 +3 0 0 0 -1 -1-2 +1 +1 +2 ou ou ou ou 0 0 +1-1 +1-1 0 +2-2 +2+1-2 -1 0 +3-3 NÚMERO QUÂNTICO SPIN (s) OU (ms) É um número quântico que pode assumir apenas dois valores: -1/2 ou +1/2, indicando as orientações que o vetor “spin”, que uma partícula, o elétron, por exemplo, pode assumir. O número quântico de spin parametriza o momento angular intrínseco (ou momento angular de spin, ou simplesmente spin) de uma dada partícula. Um elétron quando submetido à ação de um campo magnético, apresenta dois tipos de movimento de rotação deles em torno de seu próprio eixo, um horário ou um anti-horário. Campo Magnético http://www.andreaminini.org DIAGRAMA DE ENERGIA, DISPOSITIVO DE PAULING E DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA: A aplicação da Equação de Schrödinger nos permitiu encontrar soluções para estados energéticos mais elevados do átomo de Hidrogênio, em consequência, foi possível prever a colocação de elétrons em elementos com números atômicos superiores. Esse mecanismo denomina-se distribuição eletrônica. Exemplo: Distribuição Eletrônica nas camadas K (n = 1) , L(n = 2), M(n = 3) e N(n = 4). 43 ESTRUTURA ATÔMICA II PROMILITARES.COM.BR http://quimica-profucila.blogspot.com O norte americano Linus Pauling, ou colaboradores, não se sabe exatamente, ordenou a quantidade de energia de energia dos subníveis através de um dispositivo prático. Esse dispositivo ou diagrama, no Brasil conhecido como diagrama de Pauling, é de grande valia na distribuição dos elétrons para a maioria dos átomos e íons conhecidos. Ordem crescente de energia dos subníveis: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d <5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p Exemplo: Manganês (25Mn) DISTRIBUIÇÃO POR SUBNÍVEIS SUBNÍVEL MAIS ENERGÉTICO SUBNÍVEL DA CAMADA DE VALÊNCIA 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 3d5 4s2 Observação Para realizar a distribuição de um íon, devemos acrescentar, no caso do ânion, ou subtrair, no caso do cátion, elétrons localizados na camada de valência do átomo original, independente da sua ordenação proposta pelo diagrama de Pauling. Exemplo: Mn2+ e Mn3+ ESPÉCIE DISTRIBUIÇÃO POR SUBNÍVEIS SUBNÍVEL MAIS ENERGÉTICO SUBNÍVEL (IS) DA CAMADA DE VALÊNCIA Mn 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 3d5 4s2 Mn2+ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 3d5 3s2 3p6 3d5 Mn3+ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 3d4 3s2 3p6 3d4 PRINCÍPIO DE EXCLUSÃO DE PAULI “É impossível que dois elétrons que apresentem todos os seus valores de números quânticos sejam iguais”. • Regra de Hund 1) Cada orbital poderá apresentar dois elétrons no máximo. 2) Se dois elétrons estiverem num mesmo orbital, esses deverão apresentar valores de spin opostos. 3) Quando um subnível apresenta mais de um orbital, um elétron só poderá completar um dos orbitais quando todos os orbitais apresentarem um elétron. Exemplo: 3d6 ou • Elétron Diferenciador É o elétron de maior energia de um átomo, cada elemento químico apresenta o seu elétron diferenciador pelo Princípio de Exclusão de Pauli. Exemplo: Determinação dos números quânticos do elétron diferenciador do átomo de cloro Cl(Z = 17) - 1s22s22p63s23p5 3p5 -1 0 +1 n = 3 l = 1 m = 0 ms = +1/2 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. Um átomo que possui a configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p3 apresenta na camada mais externa (camada de valência): a) 2 elétrons. b) 3 elétrons. c) 5 elétrons. d) 12 elétrons. e) 15 elétrons. 44 ESTRUTURA ATÔMICA II PROMILITARES.COM.BR 02. O átomo de um elemento químico tem 14 elétrons no terceiro nível energético (n = 3). O número atômico desse elemento é: a) 14 b) 16 c) 24 d) 26 e) 36 03. Considere a distribuição energética crescente, pelos orbitais, dos elétrons de um átomo representativo de elemento de número atômico 26. O último elétron distribuído terá o número quântico magnético igual a: a) zero b) -1 c) -2 d) +1 e) +2 04. (UFJF-PISM 1 2015) O metal que dá origem ao íon metálico mais abundante no corpo humano tem, no estado fundamental, a seguinte configuração eletrônica: nível 1: completo; nível 2: completo; nível 3: 8 elétrons; nível 4: 2 elétrons Esse metal é denominado: a) ferro (Z = 26). b) silício (Z = 14). c) cálcio (Z= 20). d) magnésio (Z = 12). e) zinco (Z = 30). 05. (UDESC 2014) O enunciado “Em um mesmo átomo, não podem existir dois elétrons com o mesmo conjunto de números quânticos” refere-se a(ao): a) Princípio da Exclusão de Pauli. b) Princípio da Conservação de Energia. c) modelo atômico de Thomson. d) modelo atômico de Rutherford. e) um dos Princípios da Teoria da Relatividade Restrita. 06. (UEFS 2016) A safira azul usada na confecção de joias é um cristal constituído por óxido de alumínio, A2O3(s), substância química incolor, contendo traços dos elementos químicos ferro e titânio, responsáveis pela cor azul. Considerando a informação associada aos conhecimentos da Química, é correto afirmar: a) O átomo de titânio tem configuração eletrônica, em ordem crescente de energia, representada por [Ar]4s23d2. b) A cor do material é uma propriedade química utilizada na identificação de substâncias químicas. c) O isótopo do elemento químico ferro representado por 5626Fe é constituído por 26 elétrons, 26 nêutrons e 30 prótons. d) A cor azul é resultante da promoção do elétron de um nível de menor energia para um nível mais energético no átomo. 07. (UEG 2016) De acordo com o modelo atômico atual, a disposição dos elétrons em torno do núcleo ocorre em diferentes estados energéticos, os quais são caracterizados pelo número quântico principal e secundário. Para o elétron mais energético do átomo de escândio no estado fundamental, os números quânticos principal e secundário são respectivamente: a) 3 e 0 b) 3 e 2 c) 4 e 0 d) 4 e 2 08. (ACAFE 2017) Baseado nos conceitos sobre distribuição eletrônica, analise os itens a seguir. I. 24Cr=[Ar]4s 2 3d4 II. 29Cu=[Ar]4s 2 3d9 III. 26Fe 2+=[Ar]4s2 3d4 Assinale a alternativa correta: a) Todos os itens estão incorretos. b) Todos os itens estão corretos. c) Apenas I e II estão corretos. d) Apenas III está correto. 09. ”Anualmente cerca de dez milhões de pilhas, além de 500 mil baterias de telefone celular, são jogadas fora na cidade do Rio de Janeiro (...) elas têm elementos tóxicos, como o chumbo, mercúrio, zinco e manganês, que provocam graves problemas de saúde”. O Globo, 05/01/98. Dos quatro elementos citados, aqueles que possuem, em sua distribuição eletrônica, elétrons desemparelhados são: a) Pb e Zn. b) Pb e Mn. c) Hg e Pb. d) Hg e Zn. e) Zn e Mn. 10. Se um elétron salta da camada M, com energia E1, para a camada N, com energia E2, podemos afirmar que: a) o mesmo absorveu energia no valor igual a (E2 –E1). b) o mesmo absorveu energia no valor (E1-E2). c) o mesmo liberou energia no valor (E2-E1). d) o mesmo absorveu energia no valor (E1-E2). e) não ocorreu nem absorção e nem liberação de energia. EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. (CFTMG 2015) O chumbo é um componente de soldas, usado no revestimento de cabos. Interessado em suas características, um estudante de química montou a tabela seguinte. CARACTERÍSTICAS DO CHUMBO número de níveis 5 subnível de valência p número de elétrons no subnível de valência 2 número de elétrons no estado fundamental 207 O número de informações corretas dessa tabela é (são): a) 1. b) 2. c) 3. d) 4. 02. (UFPR 2014) As teorias atômicas vêm se desenvolvendo ao longo da história. Até o início do século XIX, não se tinha um modelo claro da constituição da matéria. De lá até a atualidade, a ideia de como a matéria é constituída sofreu diversas modificações, como se pode observar no modelo atômico de Bohr, que manteve paradigmas conceituais sobre a constituição da matéria, mas também inseriu novos conceitos surgidos no início do século XX. No modelo atômico de Bohr: 1. O elétron circula em órbita com raio definido. 2. O elétron é descrito por uma função de onda. 3. Para descrever o elétron num orbital são necessários 4 números quânticos. 4. Toda a massa do átomo está concentrada no núcleo, que ocupa uma porção ínfima do espaço. Entre as afirmativas acima, correspondem ao modelo atômico de Bohr: 45 ESTRUTURA ATÔMICA II PROMILITARES.COM.BR a) 1 e 2 apenas. b) 2 e 3 apenas. c) 2, 3 e 4 apenas. d) 1 e 4 apenas. e) 1, 3 e 4 apenas. 03. (CFTMG 2013) O ânion de um átomo desconhecido (X–) apresenta distribuição eletrônica finalizada em 4s2. Esse átomo é o: a) hélio. b) sódio. c) cálcio. d) potássio. 04. (UERN 2013) Sabe-se que os átomos X e Y são isóbaros, apresentando número de massa igual a 40, e o átomo X e isótono de Z. Considerando as configurações eletrônicas de cada átomo eletricamente neutro, o número de nêutrons de Y e o número de massa de Z são, respectivamente, X-1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 Y-1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Z-1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 a) 19 e 39. b) 20 e 40. c) 22 e 39. d) 22 e 40. 05. Considere as seguintes afirmações: I. A configuração eletrônica, segundo o diagrama de Linus Pauling, do ânion trivalente do nitrogênio (7N 3-), que se origina do átomo de nitrogênio, é 1s2 2s2 2p6. II. Num mesmo átomo, não existem dois elétrons com os quatro números quânticos iguais. III. O íon 39 119K + possui 19 nêutrons. IV. Os íons Fe2+ e Fe3+ do elemento químico ferro diferem somente quanto ao número de prótons. Das afirmativas feitas, estão corretas: a) apenas I e II. b) apenas I, II e III. c) apenas IV. d) todas. 06. A distribuição eletrônica do átomo de ferro (Fe), no estado fundamental, segundo o diagrama de Linus Pauling, em ordem energética, é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6. Sobre esse átomo, considere as seguintes afirmações: I. O número atômico do ferro (Fe) é 26. II. O nível/subnível 3d6 contém os elétrons mais energéticos do átomo de ferro (Fe), no estado fundamental. III. O átomo de ferro (Fe), no nível/subnível 3d6, possui 3 elétrons desemparelhados, no estado fundamental. IV. O átomo de ferro (Fe) possui 2 elétrons de valência no nível 4 (4s2), no estado fundamental. Das afirmações feitas, está(ão) correta(s): a) apenas I. b) apenas II e III. c) apenas I, II e IV. d) todas. 07. (UDESC 2012) O último elétron de um átomo neutro apresenta o seguinte conjunto de números quânticos: n = 3; = 1; m = 0; s = +½. Convencionando-se que o primeiro elétron a ocupar um orbital possui número quântico de spin igual a +½, o número atômico desse átomo é igual a: a) 15 b) 14 c) 13 d) 17 e) 16 08. (IFSUL 2016) O ouro, Au, é tão inerte que pode ser encontrado na natureza na forma do metal. O ouro puro é classificado como ouro 24 quilates. Suas ligas com prata e cobre são classificadas de acordo com a proporção de ouro que contém. A distribuição eletrônica em subníveis para o 79Au 197 é igual a: a) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s2, 5d9. b) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s2, 4p6, 4d10, 4f14, 5s2, 5p6, 6s2, 5d9. c) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s1, 4f14, 5d10. d) 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s1, 5d10. 09. (CFTRJ 2013) Considere as informações, mostradas abaixo, a respeito de três elementos genericamente representados pelas letras A, B e C. Com base nas informações, identifique a alternativa que apresenta a distribuição eletrônica, em subníveis de energia, do átomo C. • O elemento A apresenta número atômico 26 e número de massa 56. • O elemento A é isótono do elemento B. • O elemento B é isóbaro do elemento C e isoeletrônico do íon C2+. O elemento B apresenta número de massa 58. a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 10. Segundo a mecânica quântica, a opção que apresenta um conjunto de valores considerados impossíveis, é: N L M a) 3 0 0 b) 2 1 0 c) 6 3 -1 d) 4 1 -1 EXERCÍCIOS DE COMBATE 01. (CESGRANRIO) O ferro é bastante utilizado pelo homem em todo o mundo. Foram identificados artefatos de ferro produzidos em torno de 4000 a 3500 a.C. Nos dias atuais, o ferro pode ser obtido por intermédio da redução de óxidos ou hidróxidos, por um fluxo gasoso de hidrogênio molecular (H2) ou monóxido decarbono. O Brasil é atualmente o segundo maior produtor mundial de minério de ferro. Na natureza, o ferro ocorre, principalmente, em compostos, tais como: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), siderita (FeCO3), limonita (Fe2O3 H2O) e pirita (FeS2), sendo a hematita o seu principal mineral. Assim, segundo o diagrama de Linus Pauling, a distribuição eletrônica para o íon ferro (+3), nesse mineral, é representada da seguinte maneira: a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5. b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5. c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9. d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3. e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2. 46 ESTRUTURA ATÔMICA II PROMILITARES.COM.BR 02. Segundo a mecânica quântica, a opção que apresenta um conjunto de números quânticos de forma impossível é: n I ml a) 5 2 +1 b) 2 1 0 c) 7 4 -1 d) 4 1 -2 e) 3 0 0 03. Os valores dos números quânticos secundário e magnéticos do elétron de maior energia do átomo de Selênio (Z = 34) são, respectivamente iguais a: a) 1 e 0 b) 4 e 0 c) 4 e 1 d) 0 e 1 e) 1 e –1 04. Considere as afirmativas sobre os átomos A , B e C: I. O átomo A é isóbaro do átomo B que possui 36 prótons e 44 nêutrons. II. O átomo A é isótono do átomo C que possui número de massa igual a 81. III. Os átomos B e C pertencem ao mesmo elemento químico. A opção que apresenta a distribuição eletrônica do átomo A é: a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2. b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5. c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6. d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d7. e) 1s2 2s2 2p6 2s2 2p6 4s2 3d10 4p6 5s1. 05. As soluções aquosas de alguns sais são coloridas, tais como: – Solução aquosa de CuSO4 = azul. – Solução aquosa de NiSO4 = verde. – Solução aquosa de KMnO4 = violeta. A coloração dessas soluções pode ser relacionada à presença de um elemento de transição. Sabendo que estes elementos apresentam seu elétron mais energético situado no subnível d, qual dos elementos abaixo apresenta o maior número de elétrons no subnível d? a) 11Na. b) 17Cl. c) 20Ca. d) 21Sc. e) 26Fe. 06. O número máximo de elétrons de um átomo que apresenta elétrons distribuídos em cinco níveis de energia é igual a: a) 106 b) 54 c) 92 d) 58 e) 94 07. O átomo 3x + 2A 7x tem 38 nêutrons. O número de elétrons existente na camada de valência desse átomo é: a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 08. A regra de Hund, como o próprio nome indica, foi formulada pela primeira vez, em 1927, pelo físico alemão Friedrich Hund. Ele partiu diretamente da estrutura nuclear, já conhecida e medida, das moléculas e tentou calcular as orbitais moleculares adequadas por via direta, resultando na regra de Hund. Essa regra afirma que a energia de um orbital incompleto é menor quando nela existe o maior número possível de elétrons com spins paralelos. Considerando a distribuição eletrônica do átomo de enxofre em seu estado fundamental (Z = 16), assinale a opção que apresenta a aplicação correta da regra de Hund. a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px2 3py2 3pz0. b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px2 3py1 3pz1 c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px2 3py0 3pz2 d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3px1 3py2 3pz1 09. Quando se salpica um pouco de cloreto de sódio ou bórax diretamente nas chamas de uma lareira, obtêm-se chamas coloridas. Isso acontece porque nos átomos dessas substâncias os elétrons excitados: a) absorvem energia sob forma de luz, neutralizando a carga nuclear e ficando eletricamente neutros. b) retornam a níveis energéticos inferiores, devolvendo energia absorvida sob forma de luz. c) recebem um quantum de energia e distribuem-se ao redor do núcleo em órbitas mais internas. d) emitem energia sob forma de luz e são promovidos para órbitas mais externas. e) saltam para níveis energéticos superiores superando a carga nuclear e originando um ânion. 10. Sobre os números quânticos, complete com (V) para verdadeiro e (F) para falso. ( ) Um elétron 3p tem a soma n + l = 4. ( ) Um elétron, que ocupa o orbital indicado na figura a seguir, tem l = 1 e m = -1. ( ) Em subnível f, podem existir, no máximo, 6 elétrons. ( ) O spin de um elétron pode assumir qualquer valor entre – ½ e + ½. ( ) Em um orbital do tipo p, podem existir 4 elétrons. ( ) Em um subnível f, os números quânticos magnéticos podem variar de –3 a + 3. ( ) O subnível 3p é mais energético que o subnível 5p. a) V, V, V, F, F, F b) V, F, V, F, V, F c) F, F, F, V, V, V d) V, V, F, F, V, F GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. A 02. D 03. C 04. C 05. A 06. A 07. B 08. D 09. B 10. A EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. B 02. D 03. C 04. C 05. A 06. C 07. B 08. C 09. C 10. C EXERCÍCIOS DE COMBATE 01. A 02. D 03. E 04. B 05. E 06. B 07. D 08. B 09. B 10. D
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