2023년 위험물기능사실기(필답형) 4회차

(1) 30 ℃ 이하

(2) 30 ℃ 이하

(3) 15 ℃ 이하

[해설]

다이에틸에터 · 아세트알데하이드 · 산화프로필렌은 모두 비점과 인화점이 아주 낮은 특수인화물이라, 위험물안전관리법령이 탱크에 저장할 때의 온도를 따로 못 박아 두었다. 압력을 걸지 않은 탱크에서는 증기가 빠져나가기 쉬우므로 온도 제한이 더 엄격하다.

세 물질 가운데 아세트알데하이드만 15 ℃ 이하이고 나머지 둘은 30 ℃ 이하라는 점이 이 문제의 갈림길이다. 아세트알데하이드는 비점이 21 ℃ 로 상온에서도 끓어오를 수 있어 가장 낮은 온도로 묶어 둔 것이다.

이동저장탱크에 넣는 경우에는 기준이 또 달라, 보냉장치가 있으면 비점 이하로, 보냉장치가 없으면 40 ℃ 이하로 유지한다. 또한 이들 물질을 다루는 설비에는 구리 · 마그네슘 · 은 · 수은과 이들을 성분으로 하는 합금을 쓸 수 없는데, 폭발성 화합물을 만들기 때문이다.

다이크로뮴산염류 → 철분 → 아이오딘산염류 → 황화인 → 아염소산염류

[해설]

품명마다 정해진 지정수량을 먼저 적어 놓고 크기순으로 세우면 된다. 유별이 섞여 있어도 판단 기준은 지정수량 하나뿐이다.

제1류 위험물은 지정수량이 50 kg · 300 kg · 1,000 kg 의 세 무리로 나뉜다. 아염소산염류 · 염소산염류 · 과염소산염류 · 무기과산화물이 50 kg(위험등급 I), 브로민산염류 · 질산염류 · 아이오딘산염류가 300 kg(위험등급 II), 과망가니즈산염류 · 다이크로뮴산염류가 1,000 kg(위험등급 III) 이다. 제2류에서는 황화인 · 적린 · 황이 100 kg, 철분 · 금속분 · 마그네슘이 500 kg 이다. 지정수량이 작을수록 위험성이 크다는 뜻이므로, 이 문제의 답은 위험한 것을 뒤쪽에 세운 순서이기도 하다.

(1) $\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$

(2) 25.18 $\mathrm{m^3}$

[해설]

탄소가 완전연소하면 이산화탄소만 생기고, 탄소와 산소가 1 : 1 몰비로 반응한다.
C + O₂ → CO₂

탄소 12 kg은 1 kmol이므로 산소도 1 kmol이 필요하다. 표준상태가 아니어서 22.4를 쓰지 않고 이상기체 상태방정식으로 구한다.

V = nRT ÷ P
V = 1 × 0.082 × (273 + 30) ÷ (750 ÷ 760)
V = 25.18 m³

혼동 주의: 압력은 mmHg를 760으로 나눠 atm으로, 온도는 절대온도(K)로 바꿔 넣는다. R = 0.082는 atm·m³/(kmol·K) 단위에 쓰는 값이다.

4배

[해설]

지정수량의 배수는 저장량을 그 품명의 지정수량으로 나눈 값이고, 여러 품명을 함께 두었으면 각각의 배수를 더해 합으로 따진다.

$\dfrac{100}{100} + \dfrac{500}{500} + \dfrac{600}{300} = 1 + 1 + 2 = \mathbf{4}$

따라서 지정수량 배수의 합은 4배다. 여기서 질산염류의 지정수량이 300 kg 이라는 점을 놓치면 답이 어긋나므로, 제1류의 300 kg 무리(브로민산염류 · 질산염류 · 아이오딘산염류)를 기억해 두는 것이 좋다.

지정수량 배수의 합은 허가 대상 여부와 예방규정 · 자체소방대 같은 규제의 적용선을 가르는 값이라, 유별이 서로 달라도 한데 더해 계산한다는 점이 중요하다.

품명: 제3석유류(비수용성)

지정수량: 2,000 L

[해설]

벤젠 고리에 아미노기($\mathrm{-NH_2}$) 하나가 붙은 구조는 아닐린($\mathrm{C_6H_5NH_2}$)이다. 황색을 띠는 기름 모양 액체로 물보다 무겁고 물에 잘 녹지 않는다.

제3석유류는 1기압에서 인화점이 70 ℃ 이상 200 ℃ 미만인 액체를 말한다. 아닐린의 인화점이 70 ℃ 이므로 여기에 딱 걸리고, 물에 거의 녹지 않으므로 비수용성이다. 제3석유류의 지정수량은 비수용성이 2,000 L, 수용성이 4,000 L 다.

같은 벤젠 고리 유도체라도 붙어 있는 작용기에 따라 품명이 달라진다. $\mathrm{-CH_3}$ 가 붙으면 톨루엔(제1석유류, 200 L), $\mathrm{-OH}$ 가 붙으면 페놀, $\mathrm{-NO_2}$ 가 붙으면 나이트로벤젠(제3석유류, 2,000 L)이 되므로 구조식을 보고 작용기를 먼저 읽어 내는 것이 요령이다.

(1) $\mathrm{CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2}$

(2) 아세틸렌, 2.5 ~ 81 %

(3) $\mathrm{2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O}$

[해설]

탄화칼슘(카바이드)은 제3류 위험물인 칼슘의 탄화물이며, 물과 반응하면 수산화칼슘과 가연성 가스를 낸다.
CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

이때 생기는 기체는 아세틸렌(C₂H₂)이다. 연소범위가 2.5 ~ 81 %로 매우 넓어 조금만 새어도 폭발 위험이 크다.

아세틸렌이 완전연소하면 탄소는 이산화탄소, 수소는 물이 된다.
2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O

실무 의미: 물과 만나면 아세틸렌이 생기므로 화재 때 주수는 금물이고, 마른모래 등으로 질식소화한다.

(1) 화기엄금

(2) 화기엄금, 충격주의

(3) 가연물접촉주의

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙의 운반기준은 운반용기 바깥면에 표시할 주의사항을 유별 성질에 맞춰 정한다.

• 제4류는 인화성 액체라 불씨가 곧 위험이므로 화기엄금만 표시한다.
• 제5류는 물질 안에 산소를 품고 있어 가열·충격만으로 폭발하므로 화기엄금과 충격주의를 함께 표시한다.
• 제6류는 스스로 타지 않지만 다른 물질을 태우므로 가연물접촉주의를 표시한다.

혼동 주의: 제6류에는 화기엄금이 붙지 않는다. 물기엄금은 제1류 알칼리금속의 과산화물, 제2류 철분·금속분·마그네슘, 제3류 금수성 물질에 붙는다.

(1) 트라이나이트로톨루엔 — 벤젠 고리의 1번 자리에 $\mathrm{CH_3}$, 2 · 4 · 6번 자리에 $\mathrm{NO_2}$ 가 각각 결합한 구조

(2) $\mathrm{2C_6H_2CH_3(NO_2)_3 \rightarrow 12CO + 2C + 3N_2 + 5H_2}$

[해설]

담황색 주상결정 · 폭발성 고체 · 햇빛에 다갈색으로 변색이라는 세 가지가 곧바로 트라이나이트로톨루엔(TNT)을 가리킨다. 분자식이 $\mathrm{C_7H_5N_3O_6}$ 이므로 분자량을 확인하면

$(12 \times 7) + (1 \times 5) + (14 \times 3) + (16 \times 6) = 84 + 5 + 42 + 96 = \mathbf{227}$

로 [보기]의 값과 맞아떨어진다.

구조는 톨루엔의 벤젠 고리에서 메틸기가 붙은 자리를 1번으로 삼아, 2 · 4 · 6번 자리의 수소가 나이트로기로 바뀐 것이다. 그래서 시성식을 $\mathrm{C_6H_2CH_3(NO_2)_3}$ 로 쓴다.

열분해하면 분자 안의 산소만으로 산화가 진행되어 일산화탄소 · 탄소 · 질소 · 수소가 나온다.

$\mathrm{2C_6H_2CH_3(NO_2)_3 \rightarrow 12CO + 2C + 3N_2 + 5H_2}$

양변을 세어 보면 탄소는 왼쪽 14개($7 \times 2$), 오른쪽도 $12 + 2 = 14$ 개, 수소는 각각 10개, 질소 6개, 산소 12개로 균형이 맞는다. 산소가 모자라 이산화탄소가 아니라 일산화탄소가 주로 나온다는 점이 특징이다.

TNT 는 제5류 위험물 중 나이트로화합물에 속한다. 물에 녹지 않고 아세톤 · 벤젠 · 알코올에는 녹으며, 융점이 약 81 ℃ 로 녹여서 주입할 수 있어 폭약으로 널리 쓰였다. 충격이나 마찰에는 비교적 둔감해 기폭약이 있어야 폭발하지만, 일단 분해가 시작되면 순식간에 진행되므로 저장 시 직사광선과 열원을 피해야 한다.

(1) $\mathrm{2NaHCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O}$

(2) 750 kg

[해설]

탄산수소나트륨은 제1종 분말소화약제의 주성분으로, 약 270 ℃에서 1차 열분해해 탄산나트륨·이산화탄소·수증기가 된다.
2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

반응식에서 NaHCO₃ 2 kmol(2 × 84 = 168 kg)이 분해될 때 CO₂ 1 kmol(22.4 m³)이 생긴다.
168 : 22.4 = x : 100
x = 168 × 100 / 22.4 = 750 kg

850 ℃ 이상에서 일어나는 2차 분해는 생성물이 다르므로 1차 분해와 헷갈리지 않는다.
2NaHCO₃ → Na₂O + 2CO₂ + H₂O

(1) 제1류 — 혼재 가능 제6류 / 혼재 불가 제2류·제3류·제4류·제5류

(2) 제2류 — 혼재 가능 제4류·제5류 / 혼재 불가 제1류·제3류·제6류

(3) 제3류 — 혼재 가능 제4류 / 혼재 불가 제1류·제2류·제5류·제6류

(4) 제4류 — 혼재 가능 제2류·제3류·제5류 / 혼재 불가 제1류·제6류

(5) 제5류 — 혼재 가능 제2류·제4류 / 혼재 불가 제1류·제3류·제6류

(6) 제6류 — 혼재 가능 제1류 / 혼재 불가 제2류·제3류·제4류·제5류

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 19의 운반기준에 따르면, 지정수량의 1/10을 넘는 위험물은 함께 실어도 되는 유별이 정해져 있다.

• 제1류는 제6류와만 함께 실을 수 있고, 제2·3·4·5류와는 안 된다.
• 제2류는 제4·5류와 함께 실을 수 있고, 제1·3·6류와는 안 된다.
• 제3류는 제4류와만 함께 실을 수 있고, 제1·2·5·6류와는 안 된다.
• 제4류는 제2·3·5류와 함께 실을 수 있고, 제1·6류와는 안 된다.
• 제5류는 제2·4류와 함께 실을 수 있고, 제1·3·6류와는 안 된다.
• 제6류는 제1류와만 함께 실을 수 있고, 제2·3·4·5류와는 안 된다.

외우는 요령: 혼재 가능한 쌍은 1-6, 2-4, 2-5, 3-4, 4-5 다섯 개뿐이다("4-23, 5-24, 6-1"). 이 다섯 쌍에 들지 않는 조합은 모두 혼재 불가다.

3,333.33 L

[해설]

황은 타서 이산화황이 되며, 황과 산소는 1 : 1 몰비로 반응한다.
S + O₂ → SO₂

황 1 kg(원자량 32)을 태우는 데 필요한 산소 부피를 표준상태 몰부피 22.4 L로 구한다.
O₂ = 1,000/32 × 22.4 = 700 L

공기 중 산소는 21 %이므로 필요한 산소량을 0.21로 나누면 공기량이 된다.
공기 = 700 / 0.21 = 3,333.33 L

철분, 알킬알루미늄

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 17의 소화설비 적응성 기준에서 포소화설비는 물이 주성분이라, 물과 반응해 가연성 가스를 내는 위험물에는 적응성이 없다.

• 철분 — 제2류 철분·금속분·마그네슘으로, 물과 반응해 수소를 내므로 포를 쓸 수 없다.
• 알킬알루미늄 — 제3류 금수성 물품으로, 물과 격렬히 반응해 에테인 등 가연성 가스를 내므로 포를 쓸 수 없다.

나머지 셋은 포로 소화할 수 있다. 황린은 금수성이 아니라 물속에 저장하는 물질이고, TNT(제5류)와 인화성 고체(제2류)도 포소화설비에 적응성이 있다.

(1) 마그네슘($\mathrm{Mg}$)

(2) $\mathrm{Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2}$

(3) $\mathrm{Mg + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + H_2}$

(4) 해당 없음

[해설]

원자량이 24(정확히는 24.3)인 은백색 경금속은 마그네슘이다. 위험물안전관리법령상 제2류 위험물 “마그네슘”이며 지정수량은 500 kg이다.

(2) 산과 만나면 수소를 낸다 — $\mathrm{Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2}$

(3) 물, 특히 뜨거운 물과도 반응해 수산화마그네슘과 수소를 낸다 — $\mathrm{Mg + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + H_2}$

(4) 물을 쓰는 옥내소화전·물분무·포는 위 반응으로 수소를 만들어 오히려 위험하고, 이산화탄소도 $\mathrm{2Mg + CO_2 \rightarrow 2MgO + C}$ 로 분해되어 연소를 돕는다. 네 설비 모두 적응성이 없으므로 답은 해당 없음이고, 실제로는 탄산수소염류 분말소화약제·마른모래·팽창질석으로 질식소화한다.

(1) 1,000 $\mathrm{m^2}$ 이하

(2) 2,000 $\mathrm{m^2}$ 이하

(3) 1,000 $\mathrm{m^2}$ 이하

[해설]

옥내저장소 저장창고의 바닥면적은 위험성이 큰 것을 1,000 $\mathrm{m^2}$ 이하로, 그 밖의 것을 2,000 $\mathrm{m^2}$ 이하로 제한한다. 그러므로 문제의 세 품명이 1,000 $\mathrm{m^2}$ 무리에 드는지만 가리면 된다.

염소산염류는 제1류의 50 kg 무리이므로 1,000 $\mathrm{m^2}$, 유기과산화물은 제5류에서 이름이 직접 적혀 있으므로 1,000 $\mathrm{m^2}$ 다. 제2석유류는 목록 어디에도 없으므로 그 밖의 것으로 보아 2,000 $\mathrm{m^2}$ 가 된다.

참고로 두 무리를 같은 창고에 함께 저장할 때는 바닥면적을 1,000 $\mathrm{m^2}$ 이하로 하되 1,000 $\mathrm{m^2}$ 무리의 위험물이 차지하는 면적을 500 $\mathrm{m^2}$ 이하로 해야 한다. 외울 때는 “제4류 중 인화점이 낮은 셋(특수인화물 · 제1석유류 · 알코올류)과 제6류, 그리고 각 유별에서 지정수량이 가장 작은 것들”로 묶어 기억하면 편하다.

명칭: 인화칼슘(인화석회)

물과의 반응식: $\mathrm{Ca_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2PH_3}$

[해설]

[보기]의 열쇠는 적갈색 고체와 물과 반응해 인화수소를 낸다는 두 가지다. 인화수소는 포스핀($\mathrm{PH_3}$)의 다른 이름이므로 분자 안에 인을 가진 금속의 인화물이어야 하고, 지정수량 300 kg 까지 맞는 것은 인화칼슘($\mathrm{Ca_3P_2}$)이다.

$\mathrm{Ca_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2PH_3}$

양변을 세어 보면 칼슘 3개, 인 2개, 산소 6개, 수소 12개로 균형이 맞는다. 산과 반응할 때도 마찬가지로 포스핀이 나온다($\mathrm{Ca_3P_2 + 6HCl \rightarrow 3CaCl_2 + 2PH_3}$).

발생하는 포스핀은 마늘 냄새가 나는 맹독성 가연성 가스라, 인화칼슘 화재에서는 물을 절대 쓰지 않고 마른모래나 탄산수소염류 분말소화약제로 처리한다. 저장할 때도 건조한 곳에 밀폐해 두어야 한다. 한편 이 성질을 이용해 물에 닿으면 연기를 내는 해상 조난 신호용으로 쓰이기도 한다.

(1) $\mathrm{CH_3ONO_2}$

(2) $\mathrm{C_3H_5(ONO_2)_3}$

(3) $\mathrm{C_6H_2CH_3(NO_2)_3}$

(4) $\mathrm{C_6H_2OH(NO_2)_3}$

[해설]

시성식은 분자식 안에서 작용기를 드러내 쓰는 식이다. 제5류 중 질산에스터류는 질산기(-ONO₂), 나이트로화합물은 나이트로기(-NO₂)를 가진다.

• 질산메틸 — 메탄올의 -OH가 질산기로 바뀐 CH₃ONO₂.
• 나이트로글리세린 — 글리세린의 -OH 세 개가 모두 질산기로 바뀐 C₃H₅(ONO₂)₃.
• 트라이나이트로톨루엔 — 톨루엔 고리 수소 3개가 나이트로기로 바뀐 C₆H₂CH₃(NO₂)₃.
• 트라이나이트로페놀(피크르산) — 페놀 고리 수소 3개가 나이트로기로 바뀐 C₆H₂OH(NO₂)₃.

혼동 주의: 이름은 '나이트로'여도 나이트로글리세린은 질산에스터류라 -ONO₂로 쓰고, TNT·피크르산은 나이트로화합물이라 -NO₂로 쓴다.

아세트알데하이드 → 아세톤 → 에탄올 → 아세트산 → 나이트로벤젠

[해설]

제4류 위험물은 인화점에 따라 품명이 나뉘므로, 품명만 알면 인화점의 대소는 저절로 정해진다. 특수인화물 → 제1석유류 → 알코올류 → 제2석유류 → 제3석유류 순으로 인화점이 높아진다.

· 아세트알데하이드 — 특수인화물, 약 −38 ℃ (지정수량 50 L)

· 아세톤 — 제1석유류(수용성), 약 −18 ℃ (400 L)

· 에탄올 — 알코올류, 약 13 ℃ (400 L)

· 아세트산 — 제2석유류(수용성), 약 40 ℃ (2,000 L)

· 나이트로벤젠 — 제3석유류(비수용성), 약 88 ℃ (2,000 L)

품명의 정의를 되짚으면 제1석유류는 인화점 21 ℃ 미만, 제2석유류는 21 ℃ 이상 70 ℃ 미만, 제3석유류는 70 ℃ 이상 200 ℃ 미만이고, 알코올류는 탄소 수 1 ~ 3개인 포화 1가 알코올이라 제1석유류와 제2석유류 사이에 놓인다. 개별 수치를 다 외우지 못해도 각 물질이 어느 품명인지만 알면 순서를 세울 수 있다.

인화점이 낮을수록 상온에서 가연성 증기를 쉽게 내놓아 위험하다는 점이 이 유형이 묻는 핵심이다. ‘높은 것부터’로 물으면 순서를 뒤집어 적으면 된다.

(1) -45 ℃

(2) 1.9 ~ 48 %

(3) 특수인화물

[해설]

다이에틸에터($\mathrm{C_2H_5OC_2H_5}$)는 무색투명한 액체로 휘발성과 마취성이 크고, 인화점이 -45 ℃, 연소범위가 1.9 ~ 48 % 로 제4류 위험물 가운데 가장 위험한 축에 든다. 연소하한이 낮아 조금만 새어도 불이 붙고, 연소범위 폭이 46 이나 되어 농도가 웬만큼 변해도 계속 탈 수 있다.

위험물안전관리법 시행령은 1기압에서 발화점이 100 ℃ 이하인 것, 또는 인화점이 -20 ℃ 이하이면서 비점이 40 ℃ 이하인 것을 특수인화물로 정하고 있다. 다이에틸에터는 비점이 34 ℃, 인화점이 -45 ℃ 로 뒤쪽 조건을 만족하므로 특수인화물이고, 지정수량은 50 L 다.

공기와 오래 닿으면 폭발성 과산화물이 생기므로 갈색 병에 담아 밀전하고 직사광선을 피해 저장하며, 용기에는 2 % 이상의 공간용적을 남긴다. 과산화물이 생겼는지는 아이오딘화칼륨 수용액으로 확인하고 (황색이면 과산화물 존재), 생성을 막기 위해 40메시 구리망을 넣어 두기도 한다.

참고로 자료에 따라 다이에틸에터의 인화점을 -40 ℃, 연소범위를 1.7 ~ 48 % 로 싣기도 한다. 두 값 모두 특수인화물의 정의를 만족하므로 품명 판정은 달라지지 않으며, 여기서는 국내 위험물 교재에서 가장 널리 쓰이는 -45 ℃ · 1.9 ~ 48 % 를 기준으로 삼았다.

(1) $\mathrm{C_6H_6}$

(2) 78

(3) 200 L

(4) $\mathrm{2C_6H_6 + 15O_2 \rightarrow 12CO_2 + 6H_2O}$

[해설]

벤젠은 탄소 6개가 고리를 이루고 각 탄소에 수소가 하나씩 붙은 방향족 탄화수소이므로 화학식은 $\mathrm{C_6H_6}$ 다. 분자량은

$(12 \times 6) + (1 \times 6) = 72 + 6 = \mathbf{78}$

이다. 물에 녹지 않는 제1석유류이므로 지정수량은 200 L 다(수용성인 제1석유류는 400 L).

완전연소 반응식은 탄소를 이산화탄소로, 수소를 물로 보내고 산소 계수를 맞추면 된다. $\mathrm{C_6H_6}$ 하나로는 수소가 6개라 물이 3개가 되면서 산소 계수가 분수로 나오므로, 앞에 2를 붙여 $\mathrm{2C_6H_6}$ 로 놓는다. 그러면 탄소 12개는 $\mathrm{12CO_2}$, 수소 12개는 $\mathrm{6H_2O}$ 가 되고 오른쪽 산소는 $24 + 6 = 30$ 개이므로 왼쪽은 $\mathrm{15O_2}$ 다.

$\mathrm{2C_6H_6 + 15O_2 \rightarrow 12CO_2 + 6H_2O}$

벤젠의 비중은 약 0.88, 융점은 약 5.5 ℃ 다. 일부 교재에 비중 0.95 · 융점 7 ℃ 로 실려 있으나 이는 실측값과 다르므로, 물보다 가볍고 겨울철에는 얼 수 있는 물질이라는 점만 기억해 두면 된다. 증기는 마취성과 발암성이 있어 취급에 주의해야 하며, 물에 녹지 않고 물보다 가벼워 화재 시 주수하면 불붙은 액체가 물 위로 퍼지므로 포 · 이산화탄소 · 분말로 질식소화한다.

(1) 3개 이하

(2) 600 L 이하

(3) 3.2 mm 이상

(4) 25 mm 이상

(5) 1.5 m 이상

(6) 45° 이상

[해설]

간이탱크저장소는 소용량의 위험물을 간단한 탱크에 담아 두는 시설이라, 탱크의 수와 크기 · 두께부터 통기관의 모양까지 세부 수치가 정해져 있다.

통기관 끝을 아래로 45° 이상 꺾는 것은 빗물이나 이물질이 관을 타고 탱크 안으로 들어가지 못하게 하려는 조치다. 또 통기관은 가는 눈의 구리망 등으로 인화방지장치를 달아야 하는데, 인화점 70 ℃ 이상의 위험물만 그 인화점 미만의 온도로 저장하는 경우에는 이 장치를 생략할 수 있다.

탱크의 겉면에는 녹을 막기 위해 도장을 하되, 스테인리스 강판처럼 부식될 우려가 없는 재질이면 하지 않아도 된다. 탱크를 옥외에 둘 때는 탱크 주위에 너비 1 m 이상의 공지를 두고, 전용실 안에 둘 때는 벽과 0.5 m 이상 띄운다.