例3 以下是老师引导学生探究“质量守恒定律”的教学片段,请你参与探究并帮忙填写空格(包括表中的空格)。
【提出问题】化学反应前后各物质的质量总和是否相等?
【猜想与假设】猜想1:不相等;
猜想2:相等。
【实验探究】甲、乙两组同学用托盘天平分别称量反应前后物质的质量。
| 组别 | 甲组 | 乙组 |
| --- | --- | --- |
| 实验方案 | | |
| 实验现象 | ，天平失去平衡 | 铁钉表面有红色物质析出，溶液颜色发生改变，天平保持平衡 |
| 结论 | 猜想1正确 | 猜想2正确，反应的化学方程式为 |
【反思与评价】究竟哪种猜想正确?通过讨论,同学们发现甲组中有气体逸出。得到启示:在探究化学反应前后各物质的质量总和是否相等时,凡有气体生成或参加的反应一定要在中进行。
【优化装置】同学们对甲组左盘中的反应装置进行了如下三种改进,你认为最佳装置是(填字母序号),从另外两种装置中任选一种指出其不足:。
(已知:二氧化碳能与氢氧化钠发生化学反应)

【思路解析:【实验探究】
甲:稀盐酸和碳酸钠反应生成氯化钠、水和二氧化碳,能观察到有气泡产生,天平指针向右偏转,天平失去平衡。
乙:硫酸铜和铁反应生成硫酸亚铁和铜,反应的化学方程式为$\ce{Fe + CuSO_{4} = FeSO_{4} + Cu}$。
【反思与评价】
甲组的实验中有气体逸出,导致天平指针向右偏转,需要在密闭容器中进行实验,则得到启示:在探究化学反应前后各物质的质量总和是否相等时,凡有气体生成或参加的反应一定要在密闭容器中进行。
【优化装置】
装置B最好,因为生成的二氧化碳被氢氧化钠溶液吸收了;装置A,碳酸钠和稀盐酸反应生成二氧化碳气体,使气球膨胀,使整个装置所受空气浮力增大,因此反应后天平不能平衡;装置C,碳酸钠和稀盐酸反应生成二氧化碳气体,使装置内压强变大,橡胶塞易弹出。
答案:【实验探究】产生大量气泡 $\ce{Fe + CuSO_{4} = FeSO_{4} + Cu}$
【反思与评价】密闭容器
【优化装置】B 装置C反应生成气体导致锥形瓶内气压增大,可能会冲开橡胶塞(合理即可)

【实验探究】产生大量气泡 $\ce{Fe + CuSO_{4} = FeSO_{4} + Cu}$
【反思与评价】密闭容器
【优化装置】B 装置C反应生成气体导致锥形瓶内气压增大,可能会冲开橡胶塞(合理即可)

【分析】
本题围绕质量守恒定律的探究展开，需结合两组实验的反应特点分析现象与结论，再根据气体对质量测定的影响分析实验装置的优化。首先，甲组是碳酸钠与稀盐酸反应，会生成二氧化碳气体，逸出导致天平不平衡；乙组是铁与硫酸铜的置换反应，无气体生成，天平平衡。反思环节需明确气体对质量测定的干扰，优化装置时要兼顾密闭性、避免浮力或压强过大的问题。
【解析】
1. 甲组实验：碳酸钠与稀盐酸反应生成氯化钠、水和二氧化碳，因此观察到产生大量气泡，生成的二氧化碳气体逸出，左盘质量减小，天平失去平衡。
2. 乙组实验：铁与硫酸铜发生置换反应，生成硫酸亚铁和铜，反应的化学方程式为$\ce{Fe + CuSO_{4} = FeSO_{4} + Cu}$，反应无气体生成，反应前后质量相等，天平保持平衡。
3. 反思与评价：甲组因气体逸出导致天平不平衡，因此探究质量守恒定律时，有气体生成或参加的反应需在密闭容器中进行，防止气体逸出或进入体系影响质量测定。
4. 优化装置：装置A中，反应生成的二氧化碳使气球膨胀，装置受空气浮力增大，天平测量质量偏小；装置C中，反应生成气体使锥形瓶内压强过大，易冲开橡胶塞；装置B中，氢氧化钠溶液吸收二氧化碳，装置密闭且无额外干扰，因此最佳装置为B；装置C的不足是反应生成气体导致锥形瓶内气压增大，可能冲开橡胶塞。
【答案】
【实验探究】产生大量气泡；$\ce{Fe + CuSO_{4} = FeSO_{4} + Cu}$
【反思与评价】密闭容器
【优化装置】B；装置C反应生成气体导致锥形瓶内气压增大，可能会冲开橡胶塞（合理即可）
【知识点】
质量守恒定律、化学方程式书写、实验装置评价
【点评】
本题是质量守恒定律探究的经典题型，通过对比两组实验的现象与结论，引导学生理解质量守恒的本质，重点考察对有气体参与/生成的反应的实验装置设计与评价，培养学生的实验分析能力与严谨的科学探究思维。
【难度系数】
0.6