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• 201903845 Astrid Gutiérrez

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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Área de Química Laboratorio de Análisis Cuantitativo Sección: I Ing. Mercedes Roquel

Reporte # 1 Determinación de la Solubilidad de sales apróticas y Curva de Solubilidad en función del aumento de temperatura. SECCIÓN

PUNTUACIÓN

1. Resumen

10

2. Objetivos

5

3. Marco Teórico

5

4. Marco Metodológico

5

5. Resultados

15

6. Interpretación de Resultados

30

7. Conclusiones

15

8. Bibliografía

5

9. Apéndice

10

9.1 Muestra de Cálculo

5

9.2 Datos Calculados

4

9.3 Datos Originales

1

Total

100 puntos

CALIFICACIÓN

1. RESUMEN En la práctica de laboratorio #1 de Equilibrio de Solubilidad se determinó la solubilidad de distintas sustancias, a distintas temperaturas, usando como disolvente el agua además de ser constante, además se determinó el Qexperimental del cloruro de potasio y este a su vez se comparó con el kps teórico.

Para calcular la solubilidad de los 4 compuestos se variaron las temperaturas de cada uno aumentando estas cada 10℃ y manteniendo la misma cantidad de solvente, además se graficó la curva de solubilidad de la sustancia D la cual se desconocía. Mientras que para calcular el 𝑄𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 se utilizó Cloruro de potasio y se preparó la solución. Al obtener los datos del 𝑄 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 se compararon los datos con el Kps para obtener el porcentaje de error entre ambos.

Se determinó que las sustancias poseen curvas de solubilidad distintas, y que no solo crecen exponencialmente, sino que también decrecen, además el valor de 𝑄 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 > Kps es decir la disolución se encontró sobresaturada lo cual conllevo a una precipitación .

2

2. OBJETIVOS

2.1.

Objetivo General

Aplicar los conocimientos obtenidos acerca de solubilidad para determinar la solubilidad de sales apróticas y la curva de solubilidad en función del aumento de temperatura.

2.2.

Objetivos Específicos

2.2.1. Analizar el comportamiento de la solubilidad de las sustancias escogidas, al momento de someterlas a temperaturas diferentes temperaturas. 2.2.2. Indicar la tabla de solubilidad en función de temperatura para A,B y C. 2.2.3. Encontrar y comparar los valores de los 𝑄 𝐸𝑥𝑝 de la sustancia con la que se va a trabajar.

3

3. MARCO TEÓRICO 3.1.

Solubilidad

Solubilidad es la cualidad de soluble (que se puede disolver). Se trata de una medida de la capacidad de una cierta sustancia para disolverse en otra. La sustancia que se disuelve se conoce como soluto, mientras que aquella en la cual

este

se

disuelve

recibe

el

nombre

de solvente o disolvente.

La concentración, por otra parte, hace referencia a la proporción existente entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente en una disolución. (Ucha, 2010) Figura 1. “Solubilidad”

Fuente: Mendoza, Yessica, Solubilidad 2016, https://prezi.com/p/2icsy3putuas/solubilidad/.Consultado el 8 de agosto de 2020. 3.1.1. Producto de solubilidad Una disolución saturada es aquella que no admite más soluto, por lo que la concentración de soluto en una disolución saturada es igual a su solubilidad a la temperatura considerada. Cuando añadimos soluto en exceso a una disolución se disolverá la cantidad que determine su solubilidad y el resto permanecerá sin disolver en estado sólido, estableciéndose un equilibrio con el soluto disuelto. Así, considerando el equilibrio de disociación de una sal en disolución: 4

Figura 2. “Producto de solubilidad”

Fuente: Mendoza, Yessica, Solubilidad 2016, https://prezi.com/p/2icsy3putuas/solubilidad/.Consultado el 8 de agosto de 2020. Es un equilibrio heterogéneo en el que sólo intervienen las concentraciones de los iones disociados (en disolución). Teniendo en cuenta que las concentraciones dependen de la solubilidad de la sal: 𝐾𝑠 = (𝑎𝑠)𝑎 ∗ (𝑏𝑠)𝑏

El producto de solubilidad nos permite predecir qué sucederá en una disolución acuosa en la que se hallan presentes los iones de un compuesto en una determinada concentración. Si empleamos esta concentración en el producto de solubilidad determinaremos el producto iónico, Q: •

Si Q < K, la disolución está insaturada y admite más soluto, se favorece el desplazamiento a la derecha del equilibrio.

•

Si Q = K, la disolución está saturada y se encuentra en equilibrio.

•

Si Q > K, la disolución está sobresaturada, es inestable y el soluto en exceso precipitará, pues se favorece el desplazamiento hacia la izquierda del equilibrio.

3.2.

Efecto del Ion común

Consiste en el desplazamiento de un equilibrio iónico cuando varía la concentración de uno de los iones que intervienen en él, debido a la presencia en la disolución de una sal disuelta que lo contiene. Si se añade a una disolución de una sal poco soluble uno de los iones que la forman (ion común) se produce un aumento en su concentración, de manera que 5

el equilibrio se desplaza para contrarrestar este efecto y aumenta la cantidad de sal precipitada, disminuyendo así la solubilidad de la sal. (crest., 2015)

3.2.1. Relación entre la Kps, concentraciones iónicas y solubilidad Tabla 1. Relación entre Kps, concentración iónica y solubilidad para distintos tipos de sales.

Fuente: Mendoza, Yessica, Relación entre Kps, concentración iónica y solubilidad. 2016, https://prezi.com/p/2icsy3putuas/solubilidad/.Consultado el 8 de agosto de 2020. 3.3.

Influencia del pH de la solución en la solubilidad

En un equilibrio de disolución en que entran iones OH –, tal como el equilibrio de disolución del hidróxido de aluminio, por ejemplo, el pH de la solución va a afectar la solubilidad del sólido.

Por el principio de Le Chatelier, se verifica que al aumentar la concentración de iones OH– (aumentando el pH) en la solución, el equilibrio se traslada en el sentido de la formación de Ca(OH)2 sólido, reduciendo entonces la solubilidad de este. (González, 2010) 6

3.4.

Curvas de Solubilidad

En la Curva de solubilidad el coeficiente de solubilidad representado depende de la temperatura, de la naturaleza del soluto, de la naturaleza del disolvente y de la presión. Para el caso de un sólido disuelto, la influencia de la presión en muy pequeña. Al elevar la temperatura, el coeficiente de solubilidad aumenta si el fenómeno de disolución a temperatura constante es endotérmico (es el caso más frecuenta), y disminuye en caso contrario. (Bailer, 2016) Figura 3. “Curva de solubilidad”

Fuente: Bailer, Moeller y Kleinberg: Química Básica,Edit Alhambra, Madrd (1968).https://www.ecured.cu/Curva_de_solubilidad#:~:text=En%20la%20Curva %20de%20solubilidad,la%20presi%C3%B3n%20en%20muy%20peque%C3%B 1a.Consultado el 8 de agosto de 2020. 3.5.

Gravimetría por precipitación

La gravimetría por precipitación es una técnica analítica en la que se usa una reacción de precipitación para separar iones de una solución. El químico que se agrega

para

ocasionar

la

precipitación

se

llama precipitante o agente

precipitante. El sólido precipitado puede separarse de los componentes líquidos por medio de filtración, y la masa del sólido puede usarse junto con la ecuación química balanceada para calcular la cantidad o concentración de los compuestos iónicos en solución.

7

3.5.1. Etapas de un método gravimétrico de precipitación. Las etapas de que consta un método gravimétrico de precipitación son: • precipitación • digestión del precipitado • separación del precipitado (filtración) • lavado del precipitado • conversión a una forma de pesada adecuada • pesada • cálculos (Chang, 2010) . 3.5.2. Precipitación En los métodos gravimétricos por precipitación, la porción pesada de la sustancia que se estudia (matriz), se solubiliza por algún procedimiento, y luego el elemento a determinar (analito) se precipita en forma de un compuesto difícilmente soluble. El precipitado se separa por filtración, se lava a fondo, se incinera (o se seca) y se pesa con precisión. Conociendo la identidad (su fórmula) y la masa de las cenizas (o del precipitado) puede finalmente expresarse la concentración del

analito en la matriz.

3.6.

APLICACIÓN INDUSTRIAL En la industria alimenticia, la gravimetría se utiliza para determinar la

humedad en jaleas, mermeladas. Entre los métodos más utilizados para este procedimiento se encuentra el eléctrico y para análisis de harinas y almidones se encuentra el método gravimétrico de Karl Fischer. En la industria de galletas, el contenido de agua (humedad) es un valor crítico puesto que es parte importante de la textura del producto. Es necesario un método de determinación de Es necesario un método de determinación de humedad rápido y confiable, para lo cual se desarrolló un procedimiento basado en la medida del color de la galleta: mientras más seca, más tostada y más dorada. Se diseñó un equipo que 8

mide la intensidad del color, el cual se traduce en un valor numérico de unidades de color. El procedimiento es el siguiente: se determina la humedad por métodos gravimétricos y hace una curva de calibración de humedad vs unidades de color. Con el valor de intensidad de color se ubica en la curva el contenido de humedad. (Farmacia, 2012)

9

4. MARCO METODOLÓGICO 4.1 Reactivos, Cristalería y equipo 4.1.1. Cristalería •

Vaso de precipitados

•

Probeta.

•

Termómetro.

4.1.2. Equipo •

Balanza

•

Manta de calentamiento.

4.1.3. Reactivos •

Agua.

•

Sustancia A, B, C, D.

10

4.2.

Procedimiento

4.2.1. Parte A 1. Se eligió la sustancia con la que se iba a trabajar. 2. Se movieron los botones del panel de control y se varió la cantidad de soluto, disolvente y la temperatura. 3. Se eligió la masa de soluto a temperatura de 0°C, que se observó en la gráfica. 4. Se varió cada temperatura y se anotó la cantidad de masa que se disolvió. 5. Se utilizaron 100 mL de agua, que fue el disolvente. 6. Se escribieron los datos en una tabla en la hoja de datos originales.

4.2.2. Parte B 1. Se escogió la sal (KCl 34,4g/mL) 2. Se preparó una solución al valor de saturación, tomando nota de la concentración del ión y del contraión. 3. Se colocó en el mechero y se elevó la temperatura de 1000C para observar la variación en la concentración de los iones. 4. Se determinó el Qexperimental a temperatura ambiente y a 1000C. 5. Se comparó con el valor de Kps y se indicó el % de error.

11

4.3.

Diagrama de flujo 4.3.1. Parte A

INICIO

Elegir una sustancia con la que se va a trabajar

Variar la cantidad de soluto, disolvente y temperatura.

Elegir la masa del soluto a temperatura 0ᵒC

NO

¿Se eligió la masa a T= 0ᵒC?

SI

Variar la temperatura y anotar la cantidad de masa que se disuelve

Utilizar 100 mL de agua

Escribir los datos en una tabla

FIN

12

4.3.2. Parte B

INICIO

Elegir la sal KCl

Preparar una solución al valor de saturación, anotar la concentración de ión y contraión Colocarlo en el mechero y elevarlo a 100ᵒC

NO

¿Cambiaron las concentraciones de ion y contraión?

Determinar el Q experimental temperatura ambiente y a 100ᵒC

SI

a

Comparar con el valor de kps e indicar el % de error.

FIN

13

5. RESULTADOS Tabla 2. Solubilidad de las sustancias A, B, C y D

Temperatura ( C)

Soluto A S(g/100mL H2O)

Soluto B S(g/100mL H2O)

Soluto C S(g/100mL H2O)

Soluto D S(g/100mL H2O)

0 10 20 45 10 10 12 21 41 16 20 13 21 37 32 30 15 22 33 56 40 16 22 29 87 50 18 23 25 124 60 19 23 21 169 70 21 24 17 219 80 22 24 13 276 90 24 25 9 339 100 25 25 5 408 Fuente: Hurtado, Fernández, S. (2011). Laboratorio Virtual Solubilidad. Tomado de: http://labovirtual.blogspot.com/2012/06/calor-de-neutralizacion.html

Grafica 1. Solubilidad en función de la temperatura para la sustancia D.

Fuente: Elaboración Propia 2020.Tabla 4. Fuente: Elaboración Propia 2020.Tabla 4.

14

Tabla 3. Qexperimental a temperatura ambiente y valor de Kps Qexperimental 2.2101E-5

Kps 2.1349E-5

Fuente: Muestra de cálculo ec. 3,4 y 5

15

Porcentaje de Error (%) entre ambos 3.5224 %

6. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS En la práctica de laboratorio “Equilibrios de solubilidad”: Se determino la solubilidad con respecto a la variedad de temperatura en distintas sustancias, observando así el comportamiento de estas mismas. Con ayuda del simulador se determinó la máxima cantidad de sustancia que se podía disolver en 100 mL de disolvente a cierta temperatura.

Para las cuatro sustancias se variaron las temperaturas, siendo el disolvente el agua el cual es un compuesto polar que disuelve sustancias polares con gran facilidad y a su vez este fue constante y la cantidad de soluto que fue variable. Se dice que a mayor temperatura más aumenta la solubilidad, pero eso no pasa en todas las sustancias.

Para el soluto A se apreció que mientras se incrementaba la temperatura y la cantidad de soluto, la solubilidad de este aumentaba esto se debe a que al aumentar la temperatura se genera un espacio mayor entre las partículas del líquido dando lugar a que se disuelva una mayor cantidad de soluto, como en la mayoría de las sustancias. Por lo que la solubilidad de la sustancia a diferentes temperaturas variaba en un rango de 1 a 2 ᵒC.

Para el soluto B se determinó que la solubilidad de esta sustancia en comparación a las demás fue la más constante ya que este tubo una variabilidad casi nada significativa.

Para el soluto C se determinó que este posee el efecto de solubilidad inversa, es decir, la solubilidad disminuía o bien, se aumentaba la precipitación de este. Al estar este en una temperatura de 0℃ su solubilidad era más alta que al estar esta a 100℃, ya que cuando alcanzó la máxima temperatura trabajada, su valor se aproximaba a cero, y esto es distintivo cuando el soluto es un gas, ya que se sabe que en los gases conforme se aumenta la temperatura, la solubilidad 16

disminuye y esto se debe por que el gas se escapa del líquido. Por ello se deduce que el soluto C es poco soluble en agua conforme se aumenta su temperatura.

Para el soluto D se determinó que este posee una alta solubilidad en agua debido a que manteniendo la misma cantidad de disolvente y variando el soluto conforme a lo que se podía disolver en esa temperatura, se encontró que el comportamiento de solubilidad de este soluto aumentaba notablemente cada vez que se aumentaba la temperatura. De las cuatro sustancias la D mostro la mayor solubilidad y asimismo mejor compatibilidad con el agua.

En la curva de solubilidad de la sustancia D se observa como se elevo considerablemente la sustancia debido al aumento de temperatura y es que esto se debe a que la solubilidad de dicho solida mejora al calentar la disolución una de estas sustancias puede ser el nitrato de potasio ya que este aumenta considerablemente o un sulfato de cobre.

En la segunda parte de la práctica se determino el Q experimental de cloruro de potasio tomando así 35 g del compuesto y se preparó la solución. Al principio se pudo observar que el pH de esta solución era de 7, pero conforme la temperatura aumentaba este iba variando, llegando a los 100℃ la solución poseía un pH de 6.02, esto da lugar a que mientras existe una mayor temperatura el pH de la solución disminuye. Es decir, la cantidad de iones 𝑂𝐻 − aumenta por lo que sabemos, con el principio de la Ley de Chatellier, que su solubilidad se desplaza a la izquierda y esta disminuye. Se comparo los valores obtenidos de Qexperimetal con el valor teórico de Kps y se puedo determinar si la solución se encontraba saturada o no. Con los valores obtenidos se determinó que Q > K ,es decir la disolución se encontró sobresaturada, lo cual cabe destacar que es inestable y el soluto en exceso precipitará, pues se favorece el desplazamiento hacia la izquierda del equilibrio, y esta precipitación se debe a que existió una baja concentración de los reactivos y la solubilidad fue alta. El porcentaje de error encontrado fue de 3.52%. 17

7. CONCLUSIONES 1. Se comprendió que a partir del análisis gravimétrico es posible determinar la concentración de una sustancia, siendo este un método muy efectivo.

2. Se determinó que las sustancias poseen curvas de solubilidad distintas, y que no solo crecen exponencialmente, sino que también decrecen debido al soluto con el cual se está trabajando, como lo es el caso de una disolución para un gas, ya que el gas se escapa del líquido generado una disminución de solubilidad.

3. Se determinó que el valor de

𝑄 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 y el valor de Kps poseían una

variabilidad pequeña cuando se encontraban a temperatura ambiente, pero al ser Q > K,

la disolución se encontró sobresaturada lo cual conllevo a una

precipitación .

18

8. Bibliografía •

Bailer,

M.

y.

(Enero

de

2016).

Ecured.

Obtenido

de

https://www.ecured.cu/Curva_de_solubilidad#:~:text=En%20la%20Curva%20d e%20solubilidad,la%20presi%C3%B3n%20en%20muy%20peque%C3%B1a. •

Chang, R. (2010). En “Química (págs. 735-742). Mexico : Ed. McGraw-Hill.

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crest., c. o. (27 de Junio de 2015). ciencia on the crest. Obtenido de https://cienciaonthecrest.com/2015/06/27/el-producto-de-solubilidad/

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Farmacia,

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(2012).

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Obtenido

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http://asignatura.us.es/aaef/Cristalizacion%20.pdf •

González, M. (28 de Diciembre de 2010). La Guía. Obtenido de https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/equilibrio-de-solubilidad

•

Ucha,

F.

(Enero

de

2010).

Definicion

https://www.definicionabc.com/ciencia/solubilidad.php

19

ABC.

Obtenido

de

9. APÉNDICE 9.1.

Muestra de cálculo

9.1.1. Estequiometria para la solubilidad

𝜌𝐿 = 𝜌𝑚𝐿 ∗

1𝐿 100𝑚𝐿

(Ecuación 1)

Donde: pL: Densidad en litros pmL: Densidad en mL Para: La densidad en litros del cloruro de potasio teórico.

𝜌𝐿 = 34.4𝑚𝐿 ∗

1𝐿 = 0.344𝑔/𝐿 100𝐿

9.1.2. Constante del producto de solubilidad teórico

𝐾𝑝𝑠 = 𝑆 2 (Ecuación 2) Donde: Kps : Constante del producto de solubilidad teórico S: Solubilidad Para: La constante del producto de solubilidad teórico del cloruro de potasio.

𝐾𝑝𝑠 = (4.62 ∗ 10−3)2 = 2.1349 ∗ 10−5

9.1.3. Constante del producto de solubilidad experimental del cloruro de potasio

𝑄𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = (𝑆)2 (Ecuación 3) Donde: Q experimental: Constante del producto de solubilidad experimental S: Solubilidad

20

Para: La determinación de la constante del producto de solubilidad experimental del cloruro de potasio

𝑄𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = (4.7011 ∗ 10−3 )2 = 2.201 ∗ 10−5

9.1.4. Porcentaje de Error 𝐷.𝑇−𝐷.𝐸

% 𝑑𝑒 𝑒𝑟𝑜𝑟𝑟 = |

𝐷.𝑇

| ∗ 100 (Ecuación 4)

Donde: D.T: Dato teórico D.E: Dato experimental Para: kps y Qexp de KCl 2.1349E − 5 − 2.2101E − 5

% 𝑑𝑒 𝑒𝑟𝑜𝑟𝑟 = |

2.1349E − 5

21

| ∗ 100 = 𝟑. 𝟓𝟐𝟐𝟒 %

9.2.

Datos Calculados

Tabla 4. Sustancias A, B,C y D Temperatura ( C)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Soluto A

Soluto B

Soluto C

S(g/100mL H2O)

S(g/100mL H2O)

S(g/100mL H2O)

10 12 13 15 16 18 19 21 22 24 25

20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25

45 41 37 33 29 25 21 17 13 9 5

Soluto D S(g/100mL H2O)

10 16 32 56 87 124 169 219 276 339 408

Fuente: Hurtado, Fernández, S. (2011). Laboratorio Virtual Solubilidad. Tomado de: http://labovirtual.blogspot.com/2012/06/calor-de-neutralizacion.html

Grafica 2. Solubilidad vs temperatura del soluto A.

Fuente: Elaboración Propia 2020.Tabla 4. 22

Grafica 3. Solubilidad vs temperatura del soluto B.

Fuente: Elaboración Propia 2020.Tabla 4. Grafica 4. Solubilidad vs temperatura del soluto C.

Fuente: Elaboración Propia 2020.Tabla 4.

23

9.3. Datos Originales Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Área de Química Laboratorio de Análisis Cuantitativo NOMBRE

CARNÉ

Cristina Hiasbeth Alvarado Velásquez

201903843

Astrid Nineth Gutiérrez González

201903845

Tiffany Briseth Juarez Chiquirin

201902047

Pablo Audillo González Garcia

201900669

Bryan Estuardo López Segura

201908227

Brayan de Jesús Puac Méndez

201900991

Hoja de Datos Originales PRIMERA PARTE Haciendo uso del simulador http://labovirtual.blogspot.com/ en la práctica No.1 Determine la solubilidad (g en 100mL de agua) de los compuesto A, B y C basándose en la gráfica de solubilidad en el rango de temperatura de 0 0C – 1000C Compile los datos en la siguiente tabla. Temperatura ( C)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Soluto A

Soluto B

Soluto C

S(g/100mL H2O)

S(g/100mL H2O)

S(g/100mL H2O)

10 12 13 15 16 18 19 21 22 24 25

20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25

45 41 37 33 29 25 21 17 13 9 5

24

Soluto D S(g/100mL H2O)

10 16 32 56 87 124 169 219 276 339 408

Soluto D 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 05 00 0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0

Para el soluto D construya la curva de solubilidad según los datos que compile en la tabla anterior. SEGUNDA PARTE Usando el simulador Chemcollective escoja una sal (NaCl 359g/L) o (KCl 34,4g/cm3) y prepare una solución al valor de saturación, tomando nota de la concentración del ión y del contraión. Coloque el mechero y eleve la temperatura a 1000C para observar la variación en la concentración de los iones. Determinar un Qexperimental a temperatura ambiente y a 1000C. Compárelo con el valor de Kps e indique el % de error.

TEÓRICO: S= 34.4g/ mL* 100mL/L = 0.344 g/L 0.344 g/L * 1 mol/74.45g= 4.62E-3 = S Kps= S2 = 2.1349E-5 EXPERIMENTAL: 35g/mL *1000mL/L= 0.35g/L 0.35g/L*1mol/74.45g= 4.70114E-3 = S Qps= S2 = 2.2101E-5 % DE ERROR: ([(2.1349E-5)-( 2.2101E-5)]/ 2.1349E-5) *100 = 3.5224 %

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