
第16講 元素周期律和元素周期表
目標要求 1.認識元素性質(zhì)與元素在周期表中位置的關(guān)系。2.結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)和實驗事實認識原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)呈周期性變化的規(guī)律,構(gòu)建元素周期律。3.知道元素周期表的結(jié)構(gòu),以第3周期的鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫、氯以及堿金屬和鹵族元素為例,了解同周期和同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。體會元素周期律(表)在學(xué)習元素化合物知識與科學(xué)研究中的重要作用。4.認識元素的原子半徑、第一電離能、電負性等元素性質(zhì)的周期性變化,知道原子核外電子排布呈現(xiàn)周期性變化是導(dǎo)致元素性質(zhì)周期性變化的原因。5.知道元素周期表中分區(qū)、周期和族的元素原子核外電子排布特征,了解元素周期律(表)的應(yīng)用價值。
1.元素周期表的結(jié)構(gòu)
(1)原子序數(shù)
按照元素在周期表中的順序給元素編號,稱之為原子序數(shù),原子序數(shù)=核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)。
(2)編排原則
①周期:把電子層數(shù)相同的元素,按原子序數(shù)遞增的順序,從左至右排成的橫行。
②族:把最外層電子數(shù)相同的元素,按電子層數(shù)遞增的順序,從上至下排成的縱列。
(3)元素周期表的結(jié)構(gòu)
元素周期表
理解應(yīng)用
請在下表中畫出元素周期表的輪廓,并在表中按要求完成下列問題:
(1)標出族序數(shù)。
(2)畫出金屬與非金屬的分界線,寫出分界線處金屬的元素符號,并用陰影表示出過渡元素的位置。
(3)寫出各周期元素的種類。
(4)寫出稀有氣體元素的原子序數(shù)。
答案
2.原子結(jié)構(gòu)與元素在周期表中的位置關(guān)系
(1)原子結(jié)構(gòu)與周期的關(guān)系
周期
能層數(shù)(n)
每周期中各元素原子價電子排布特點
2
2
2s1→2s22p6
3
3
3s1→3s23p6
4
4
5
5
6
6
(2)每族元素的價層電子排布特點
①主族
主族
ⅠA
ⅡA
ⅢA
ⅣA
排布特點
ns1
ns2
ns2np1
ns2np2
主族
ⅤA
ⅥA
ⅦA
排布特點
ns2np3
ns2np4
ns2np5
②0族:He為1s2;其他為ns2np6。
③過渡元素(副族和Ⅷ族):(n-1)d1~10ns1~2。
(1)①能層數(shù)=電子層數(shù)=周期數(shù)
②主族序數(shù)=價電子數(shù)
(2)對于主族元素,價電子層就是最外電子層,而對于過渡元素原子不僅僅是最外電子層,如Fe的價電子層排布為3d64s2。
3.元素周期表的分區(qū)
(1)根據(jù)核外電子排布
①分區(qū)簡圖
②各區(qū)元素化學(xué)性質(zhì)及原子最外層電子的排布特點
分區(qū)
元素分布
外圍電子排布
元素性質(zhì)特點
s區(qū)
ⅠA、ⅡA族
ns1~2
除氫外都是活潑金屬元素;通常是最外層電子參與反應(yīng)
p區(qū)
ⅢA族~ⅦA族、0族
ns2np1~6
(除He外)
通常是最外層電子參與反應(yīng)
d區(qū)
ⅢB族~ⅦB族、Ⅷ族(除鑭系、錒系外)
(n-1)d1~9ns1~2
(除鈀外)
d軌道可以不同程度地參與化學(xué)鍵的形成
ds區(qū)
ⅠB族、ⅡB族
(n-1)d10ns1~2
金屬元素
f區(qū)
鑭系、錒系
(n-2)f0~14
(n-1)d0~2ns2
鑭系元素化學(xué)性質(zhì)相近,錒系元素化學(xué)性質(zhì)相近
(2)根據(jù)元素金屬性與非金屬性可將元素周期表分為金屬元素區(qū)和非金屬元素區(qū)(如下圖),處于金屬與非金屬交界線(又稱梯形線)附近的非金屬元素具有一定的金屬性,又稱為半金屬、類金屬或準金屬,但不能叫兩性非金屬。
(1)元素周期表中位于金屬與非金屬分界線附近的元素屬于過渡元素(×)
(2)第ⅠA族全部是金屬元素(×)
(3)兩短周期元素原子序數(shù)相差8,則周期數(shù)一定相差1(√)
(4)s區(qū)全部是金屬元素(×)
(5)第4周期元素中,錳原子價電子層中未成對電子數(shù)最多(×)
(6)價電子排布為5s25p1的元素位于第5周期ⅠA族,是s區(qū)元素(×)
(7)最外層有2個未成對電子的可能是ns2np2或ns2np4。短周期元素中分別為C、Si和O、S(√)
深度思考
(1)根據(jù)第4周期元素原子核外電子排布特點,回答下列問題:
①價電子層有2個未成對電子的有________;有3個未成對電子的有________。
②未成對電子數(shù)與周期數(shù)相等的元素價電子排布式________。
答案?、貵e、Se、Ti、Ni As、V、Co ②3d64s2
(2)第4周期中,未成對電子數(shù)最多的元素是________(填名稱)。
①它位于________族。
②核外電子排布式是________________________________________________________。
③它有________個能層,________個能級,________種運動狀態(tài)不同的電子。
④價電子排布式:________,價電子軌道表示式:__________________________________。
⑤屬于________區(qū)。
答案 鉻?、佗鯞
②1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1)
③4 7 24
④3d54s1 ?、載
題組一 元素周期表結(jié)構(gòu)
1.長式周期表共有18個縱列,從左到右排為1~18列,即堿金屬為第1列,稀有氣體元素為第18列。按這種規(guī)定,下列說法正確的是( )
A.第9列元素中沒有非金屬元素
B.只有第2列的元素原子最外層電子排布式為ns2
C.第4周期第9列元素是鐵元素
D.第10、11列為ds區(qū)
答案 A
解析 第9列元素是Ⅷ族元素,都是金屬元素,沒有非金屬元素,A項正確;第2列元素原子的最外層電子排布式為ns2,此外He的核外電子排布式是1s2,B項錯誤;第4周期第9列元素是Co元素,C項錯誤;第11、12列元素為ds區(qū),D項錯誤。
2.(2020·南京月考)如圖為元素周期表中前4周期的一部分,若B元素的核電荷數(shù)為x,則這五種元素的核電荷數(shù)之和為( )
A.5x+10 B.5x
C.5x+14 D.5x+16
答案 A
元素周期表中元素原子序數(shù)的序差規(guī)律
(1)同周期ⅡA族與ⅢA族元素的原子序數(shù)之差有以下三種情況:第2、3周期(短周期)相差1,第4、5周期相差11,第6、7周期相差25。
(2)相鄰周期,同一主族元素的原子序數(shù)可能相差2、8、18、32。若A、B是同主族相鄰周期元素,A、B所在周期分別有m和n種元素。如圖:
當A、B在ⅠA或ⅡA族時,y=x+m。A、B在ⅢA~0族時,y=x+n。
題組二 原子結(jié)構(gòu)與周期表的關(guān)系
3.某元素原子外圍電子排布式為3d54s2,其應(yīng)在( )
A.第4周期ⅡA族 B.第4周期ⅡB族
C.第4周期ⅦA族 D.第4周期ⅦB族
答案 D
解析 價電子排布式為3d54s2的元素,原子核外電子排布式為[Ar]3d54s2的元素,其質(zhì)子數(shù)為25,為Mn元素,則25-2-8-8=7,處于第4周期第7列,故處于周期表中第4周期ⅦB族。
4.(2019·濟寧期末)下列有關(guān)金屬鈦的敘述不正確的是( )
A.鈦的原子序數(shù)為22
B.鈦位于元素周期表第4周期
C.鈦原子核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d4
D.鈦屬于過渡元素
答案 C
解析 依據(jù)元素周期表結(jié)構(gòu),鈦是22號元素,選項A正確;鈦位于第4周期ⅣB族,它屬于過渡元素,選項B、D正確;依據(jù)構(gòu)造原理,4s能級能量低于3d能級,故應(yīng)首先排滿4s后再排3d,正確的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d24s2,選項C不正確。
5.M、R、X、Y為原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素,Z是一種過渡元素。M基態(tài)原子L層中p軌道電子數(shù)是s軌道電子數(shù)的2倍,R是同周期元素中最活潑的金屬元素,X和M形成的一種化合物是引起酸雨的主要大氣污染物,Z的基態(tài)原子4s和3d軌道半充滿。請回答下列問題:
(1)寫出M、R的價電子排布式:M________、R____________________________________。
(2)寫出X、Y的價電子軌道表示式:X__________________、Y________________。
(3)寫出Z的核外電子排布式:__________________,Z的核外未成對電子數(shù)為_________。
答案 (1)2s22p4 3s1
(2)
(3)1s22s22p63s23p63d54s1(或[Ar]3d54s1) 6
解析 根據(jù)題目給出的M、R和X的信息確定,M是氧元素,R是鈉元素,X是硫元素。根據(jù)M、R、X、Y為原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素確定Y是氯元素。根據(jù)Z的基態(tài)原子4s和3d軌道半充滿,則Z元素原子的核外有24個電子,是鉻元素。
1.電離能
(1)第一電離能:氣態(tài)電中性基態(tài)原子失去一個電子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)基態(tài)正離子所需要的最低能量,符號:I1,單位:kJ·mol-1。
(2)電離能的應(yīng)用規(guī)律
①判斷元素金屬性的強弱
第一電離能越小,金屬越容易失去電子,金屬性越強;反之越弱。
②判斷元素的化合價(I1、I2……表示各級電離能)
如果某元素的In+1?In,則該元素的常見化合價為+n。如鈉元素I2?I1,所以鈉元素的化合價為+1。
③判斷核外電子的分層排布情況
多電子原子中,元素的各級電離能逐級增大,有一定的規(guī)律性。當電離能的變化出現(xiàn)突變時,電子層數(shù)就可能發(fā)生變化。
④反映元素原子的核外電子排布特點
同周期元素從左向右,元素的第一電離能并不是逐漸增大的,當元素原子的核外電子排布是全空、半充滿和全充滿狀態(tài)時,第一電離能就會反常的大。
理解應(yīng)用
(1)按要求回答下列問題
①第3周期所有元素的第一電離能(I1)大小順序為___________________(用元素符號表示)。
②Na的逐級電離能中有________次突躍。分別是哪級電離能發(fā)生突躍?________、________。
③F、Cl、Br、I的第一電離能由大到小的順序為____________________________________,電負性由大到小的順序為________________。
答案 ①Na<Al<Mg<Si<S<P<Cl<Ar
②2 I2?I1 I10?I9
③F>Cl>Br>I F>Cl>Br>I
(2)已知某主族元素的逐級電離能為I1=500 kJ·mol-1、I2=4 600 kJ·mol-1,I3=6 900 kJ·mol-1,I4=9 500 kJ·mol-1,可推知該元素可能在哪一族?最高化合價可能為多少?
答案 ⅠA族,+1
(3)[2017·全國卷Ⅱ,35(2)]元素的基態(tài)氣態(tài)原子得到一個電子形成氣態(tài)負一價離子時所放出的能量稱作第一電子親和能(E1)。第2周期部分元素的E1變化趨勢如圖所示,其中除氮元素外,其他元素的E1自左而右依次增大的原因是________________________________________;
氮元素的E1呈現(xiàn)異常的原因是__________________________________________________。
答案 同周期元素隨核電荷數(shù)依次增大,原子半徑逐漸變小,故結(jié)合一個電子釋放出的能量依次增大 N的2p能級處于半充滿狀態(tài),具有穩(wěn)定性,故不易結(jié)合一個電子
解析 根據(jù)圖示,電子親和能增大(除N外),同周期從左向右非金屬性增強,得電子能力增強,因此同周期自左而右電子親和能增大;氮元素的2p能級達到半充滿狀態(tài),原子相對穩(wěn)定,不易得到1個電子。
2.電負性
(1)含義:元素的原子在化合物中吸引鍵合電子能力的標度。元素的電負性越大,表示其原子在化合物中吸引鍵合電子的能力越強。
(2)電負性的應(yīng)用
理解應(yīng)用
下表是某些元素的電負性值:
元素符號
Li
Be
B
C
O
F
Na
Al
Si
P
S
Cl
電負性值
1.0
1.5
2.0
2.5
3.5
4.0
0.9
1.5
1.8
2.1
2.5
3.0
(1)通過分析電負性值的變化規(guī)律,確定Mg元素的電負性值的最小范圍________________。
(2)請歸納元素的電負性和金屬性、非金屬性的關(guān)系是________________________________
_________________________________________________。
(3)推測AlF3、AlCl3、AlBr3是離子化合物還是共價化合物:
AlF3__________________,AlCl3_________________________,AlBr3__________________。
答案 (1)0.9~1.5
(2)非金屬性越強,電負性越大;金屬性越強,電負性越小
(3)離子化合物 共價化合物 共價化合物
3.原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的遞變規(guī)律
項目
同周期(從左→右)
同主族(從上→下)
原子核外電子排布
能層數(shù)相同,最外層電子數(shù)逐漸增多
最外層電子數(shù)相同,能層數(shù)遞增
原子半徑
逐漸減小(0族除外)
逐漸增大
元素主要化合價
最高正價由+1→+7(O、F除外),最低負價=由-4→-1
最高正價=主族序數(shù)(O、F除外),非金屬元素最低負價=主族序數(shù)-8
原子得失電子能力
得電子能力逐漸增強;失電子能力逐漸減弱
得電子能力逐漸減弱;失電子能力逐漸增強
第一電離能
增大的趨勢
逐漸減小
電負性
逐漸增大
逐漸減小
元素的金屬性、非金屬性
金屬性逐漸減弱;非金屬性逐漸增強
金屬性逐漸增強;非金屬性逐漸減弱
元素周期律
4.對角線規(guī)則
在元素周期表中,某些主族元素與右下方的主族元素的有些性質(zhì)是相似的,如。
5.實驗法比較元素金屬性和非金屬性
(1)元素的金屬性比較
①依最高價氧化物對應(yīng)水化物的堿性強弱比較:堿性強的對應(yīng)元素金屬性強。
②依單質(zhì)與水、酸反應(yīng)的難易或劇烈程度:越易反應(yīng)或反應(yīng)越劇烈,對應(yīng)元素金屬性越強。
③依單質(zhì)的還原性強弱:還原性越強,對應(yīng)元素的金屬性越強。
④依陽離子氧化性的強弱:氧化性越弱,對應(yīng)元素的金屬性越強。
⑤依單質(zhì)與同一物質(zhì)反應(yīng)的難易程度:越易進行反應(yīng),對應(yīng)元素的金屬性越強。
⑥依原電池正負極:一般來說,作負極的金屬對應(yīng)元素的金屬性強。
(2)元素的非金屬性比較
①依最高價氧化物對應(yīng)水化物的酸性強弱比較:酸性強的對應(yīng)元素非金屬性強。
②依單質(zhì)與H2反應(yīng)的難易或劇烈程度:越易反應(yīng)或反應(yīng)越劇烈,對應(yīng)元素非金屬性越強。
③依單質(zhì)的氧化性強弱:氧化性越強,對應(yīng)元素的非金屬性越強。
④依簡單陰離子的還原性強弱:還原性越弱,對應(yīng)元素的非金屬性越強。
⑤依單質(zhì)與同一物質(zhì)反應(yīng)的難易程度:越易進行反應(yīng),對應(yīng)元素的非金屬性越強。
⑥依置換反應(yīng):非金屬性較強的元素單質(zhì)能置換出非金屬性較弱的元素單質(zhì)。
題組一 微粒半徑的比較
1.比較下列微粒半徑大小(用“>”或“<”填空):
(1)Na________Mg________Cl。
(2)Li________Na________K。
(3)Na+________Mg2+________Al3+。
(4)F-________Cl-________Br-。
(5)Cl-________O2-________Na+________Mg2+。
(6)Fe2+________Fe3+。
答案 (1)>?。尽?2)< < (3)>?。尽?4)<?。? (5)>?。尽。尽?6)>
“三看”法快速判斷簡單微粒半徑的大小
一看電子層數(shù):最外層電子數(shù)相同時,電子層數(shù)越多,半徑越大。
二看核電荷數(shù):當電子層結(jié)構(gòu)相同時,核電荷數(shù)越大,半徑越小。
三看核外電子數(shù):當電子層數(shù)和核電荷數(shù)均相同時,核外電子數(shù)越多,半徑越大。
題組二 金屬性、非金屬性的比較(不定項選擇題)
2.(2020·石家莊期末)下列有關(guān)性質(zhì)的比較中正確的是( )
A.堿性:NaOHPH3
C.原子半徑:S>O>F
D.酸性:HClO>HNO3>H2CO3
答案 BC
解析 金屬性:Na>Mg>Al,故堿性:NaOH>Mg(OH)2>Al(OH)3,A項錯誤;非金屬性:F>Cl>P,穩(wěn)定性:HF>HCl>PH3,B項正確;同周期主族元素隨原子序數(shù)增大,原子半徑逐漸減小,因此原子半徑:O>F,C項正確;元素的非金屬性越強,其最高價氧化物對應(yīng)的水化物酸性越強,酸性應(yīng)為HClO4>HNO3,而HClO是弱酸,D項錯誤。
3.下列敘述中金屬M的活潑性肯定比金屬N的活潑性強的是( )
A.M原子的最外層電子數(shù)比N原子的最外層電子數(shù)少
B.常溫時,M能從水中置換出氫,而N不能
C.1 mol M從酸中置換H+生成的H2比1 mol N從酸中置換H+生成的H2多
D.M的氧化物對應(yīng)水化物的堿性比N的氧化物對應(yīng)水化物的堿性強
答案 B
解析 最外層電子數(shù)的多少以及從酸中置換出H2的多少與金屬元素的金屬性強弱無關(guān),A、C兩項錯誤;金屬的活潑性越強,越易與水反應(yīng),常溫時,M能從水中置換出氫,而N不能,說明金屬的活潑性M比N強,B項正確;由元素的最高價氧化物對應(yīng)水化物的堿性強弱來判斷金屬性的強弱,D項錯誤。
4.下列事實不能說明元素的金屬性或非金屬性相對強弱的是( )
選項
事實
結(jié)論
A
與冷水反應(yīng),Na比Mg強烈
金屬性:Na>Mg
B
Ca(OH)2的堿性強于Mg(OH)2
金屬性:Ca>Mg
C
SO2與NaHCO3溶液反應(yīng)生成CO2
非金屬性:S>C
D
t ℃時,Br2+H22HBr K=5.6×107
I2+H22HI K=43
非金屬性:Br>I
答案 C
解析 C項,根據(jù)事實可知,H2SO3比H2CO3酸性強,但H2SO3不是最高價含氧酸,故不能說明非金屬性:S>C。
題組三 電離能與電負性的應(yīng)用
5.(2019·青島模擬)表1是元素周期表的一部分,表中所列的字母分別代表一種化學(xué)元素。試回答下列問題:
表1
(1)元素p為26號元素,請寫出其基態(tài)原子電子排布式:______________________。
(2)h的單質(zhì)在空氣中燃燒發(fā)出耀眼的白光,請用原子結(jié)構(gòu)的知識解釋發(fā)光的原因:
________________________________________________________________________。
(3)o、p兩元素的部分電離能數(shù)據(jù)如表2:
元素
電離能/kJ·mol-1
o
p
I1
717
759
I2
1 509
1 561
I3
3 248
2 957
表2
比較兩元素的I2、I3可知,氣態(tài)o2+再失去一個電子比氣態(tài)p2+再失去一個電子難。對此,你的解釋是___________________________________________________。
(4)第3周期8種元素單質(zhì)熔點高低的順序如圖1所示,其中電負性最大的是________(填圖1中的序號)。
(5)表1中所列的某主族元素的電離能情況如圖2所示,則該元素是__________(填元素符號)。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)
(2)電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時,以光(子)的形式釋放能量 (3)Mn2+的3d軌道電子排布為半充滿狀態(tài),比較穩(wěn)定 (4)2 (5)Al
解析 (2)h為Mg元素,Mg單質(zhì)在空氣中燃燒發(fā)出耀眼的白光,電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時以光(子)的形式釋放能量。(3)o元素為Mn,其基態(tài)原子電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s2,Mn2+的基態(tài)電子排布式為1s22s22p63s23p63d5,其3d能級為半充滿狀態(tài),相對比較穩(wěn)定,當其失去第3個電子時比較困難,而Fe2+的基態(tài)電子排布式為1s22s22p63s23p63d6,其3d能級再失去一個電子即為半充滿狀態(tài),故其失去第3個電子比較容易。(4)第3周期8種元素分別為鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫、氯、氬,其單質(zhì)中鈉、鎂、鋁形成金屬晶體,熔點依次升高;硅形成原子晶體;磷、硫、氯、氬形成分子晶體,且常溫下磷、硫為固體,氯氣、氬為氣體,8種元素熔點最低的為氬,其次為氯,其中電負性最大的為氯。(5)由圖可知,該元素的電離能I4 遠大于I3,故為第ⅢA族元素,應(yīng)為Al。
1.(2019·海南,7)今年是門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律150周年,聯(lián)合國將2019年定為“國際化學(xué)元素周期表年”。下列有關(guān)化學(xué)元素周期表的說法正確的是( )
A.元素周期表共有18列
B.ⅦA族元素的非金屬性自上而下依次減弱
C.主族元素均呈現(xiàn)與其族數(shù)相同的最高化合價
D.第2周期主族元素的原子半徑自左向右依次增大
答案 AB
解析 由于同一主族的元素從上到下,原子半徑逐漸增大,原子獲得電子的能力逐漸減弱,所以ⅦA族元素的非金屬性自上而下依次減弱,B正確;主族元素一般呈現(xiàn)與其族數(shù)相同的最高化合價,O、F非金屬性強,O沒有與族序數(shù)相等的最高正化合價,F(xiàn)沒有正價,C錯誤; 第2周期主族元素的原子半徑自左向右依次減小,D錯誤。
2.(2019·浙江4月選考,14) 2019年是門捷列夫提出元素周期表150周年。根據(jù)元素周期律和元素周期表,下列推斷不合理的是( )
A.第35號元素的單質(zhì)在常溫常壓下是液體
B.位于第4周期第ⅤA族的元素為非金屬元素
C.第84號元素的最高化合價是+7
D.第7周期0族元素的原子序數(shù)為118
答案 C
解析 35號元素是溴元素,單質(zhì)Br2在常溫常壓下是紅棕色的液體,A項合理;位于第4周期第ⅤA族的元素是砷元素(As),為非金屬元素,B項合理;第84號元素位于第6周期ⅥA族,為釙元素(Po),由于最高正價等于主族序數(shù),所以該元素最高化合價是+6,C項不合理;第7周期0族元素是第7周期最后一個元素,原子序數(shù)為118,D項合理。
3.(2020·山東等級模擬考,6)X、Y、Z、W為原子序數(shù)依次增大的四種短周期主族元素,A、B、C、D、E為上述四種元素中的兩種或三種所組成的化合物。已知A的相對分子質(zhì)量為28,B分子中含有18個電子,五種化合物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖所示。下列說法錯誤的是( )
A.X、Y組成化合物的沸點一定比X、Z組成化合物的沸點低
B.Y的最高價氧化物的水化物為弱酸
C.Y、Z組成的分子可能為非極性分子
D.W是所在周期中原子半徑最小的元素
答案 A
4.(2019·海南模考)X、Y是同周期的兩種主族元素,他們的逐級電離能(I)數(shù)據(jù)如下表所示:
電離能/kJ·mol-1
I1
I2
I3
I4
I5
……
X
496
4 562
6 912
9 543
13 353
……
Y
738
1 451
7 733
10 540
13 630
……
下列有關(guān)說法正確的是( )
A.電負性:X
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