2021년 위험물기능사실기(필답형) 2회차

㉠ $C_6H_5CH=CH_2$

㉡ 스타이렌

㉢ III등급

[해설]

벤젠 고리에 비닐기($-CH=CH_2$)가 붙은 스타이렌(비닐벤젠)이다. 분자량은 $(12 \times 8) + (1 \times 8) = 104$로 계산되며, 실제 값은 104.2이다.

제4류 위험물의 위험등급은 다음과 같이 나뉜다.

· I등급 — 특수인화물

· II등급 — 제1석유류, 알코올류

· III등급 — 제2석유류, 제3석유류, 제4석유류, 동식물유류

스타이렌은 제2석유류이므로 III등급이다.

공업적으로는 에틸벤젠에서 수소를 떼어 내(탈수소화) 만들며, 이중결합이 있어 쉽게 중합해 폴리스타이렌이 된다. 저장할 때 중합을 막는 억제제를 넣는 이유가 여기에 있다.

시성식을 $C_6H_5CH_2CH$처럼 적은 지면이 있는데, 이는 비닐기의 이중결합 표기가 빠진 오식이다. 탄소의 결합수를 맞춰 보면 $C_6H_5CH=CH_2$여야 하고, 이중결합이 사라지면 중합성이라는 이 물질의 핵심 성질도 설명되지 않는다.

(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 작용기를 드러낸 식이다. 제5류 위험물은 질산에스터류(-ONO₂)와 나이트로화합물(-NO₂)로 나뉜다.

• 질산메틸 — 메탄올의 -OH가 질산기로 바뀐 CH₃ONO₂이다.
• 나이트로글리세린 — 글리세린의 -OH 세 개가 모두 질산기로 바뀐 C₃H₅(ONO₂)₃이다.
• 트라이나이트로톨루엔 — 톨루엔 고리의 수소 세 개가 나이트로기로 바뀐 C₆H₂CH₃(NO₂)₃이다.
• 트라이나이트로페놀 — 페놀 고리의 수소 세 개가 나이트로기로 바뀐 C₆H₂OH(NO₂)₃이며, 피크르산이라고도 한다.

혼동 주의: 질산에스터류는 -ONO₂, 나이트로화합물은 -NO₂이다. 산소 하나 차이이므로 빠뜨리지 않는다.

(1) 50 kg

(2) 50 kg

(3) 50 kg

(4) 300 kg

[해설]

네 물질 모두 제1류 위험물(산화성 고체)이다. 지정수량은 개별 물질이 아니라 그 물질이 속한 품명에 붙는다는 점이 핵심이다.

염소산나트륨과 염소산칼륨은 금속이 나트륨이냐 칼륨이냐만 다를 뿐 둘 다 염소산염류여서 지정수량이 똑같이 50 kg이다. 이처럼 품명만 맞히면 물질이 바뀌어도 답이 흔들리지 않는다.

제1류 위험물의 지정수량은 크게 세 갈래로 묶어 외우면 편하다.

· 50 kg — 아염소산염류, 염소산염류, 과염소산염류, 무기과산화물

· 300 kg — 브로민산염류, 질산염류, 아이오딘산염류, 크로뮴·납 또는 아이오딘의 산화물

· 1,000 kg — 과망가니즈산염류, 다이크로뮴산염류

무수크롬산은 삼산화크로뮴이라고도 하며 암적색 결정으로 물에 잘 녹는다. 250 ℃ 부근에서 분해해 산소를 내놓고, 물과 만나면 발열하므로 주수소화를 피한다.

① 발화

② 인화

③ 고형알코올

④ 40

⑤ 60

[해설]

위험물안전관리법 시행령 별표 1 비고에 적힌 제2류 위험물 정의 문구를 그대로 채우는 문항이다.

• 가연성 고체 — 화염에 의한 발화의 위험성 또는 인화의 위험성을 시험으로 판단하며, 조문 순서는 발화가 먼저다.
• 인화성 고체 — 대표 예가 고형알코올(젤 상태 고체연료)이고, 1기압에서 인화점이 40 ℃ 미만인 고체다.
• 황 — 순도 60 중량퍼센트 이상만 위험물로 보며, 불순물은 활석 등 불연성 물질과 수분에 한한다.

혼동 주의: 제2류 가운데 운반용기 주의사항이 '화기엄금'인 것은 인화성 고체뿐이고, 나머지는 '화기주의'다.

(1) 표면연소

(2) 자기연소

(3) 증발연소

[해설]

고체의 연소는 가연물이 어떤 형태로 산소와 만나는지에 따라 네 가지로 나뉜다.

마그네슘분은 금속 표면에서 산화가 일어나는 표면연소다. 물과 반응해 수소를 내놓으므로 주수소화는 금물이며 마른모래로 덮는다.

황은 녹는점이 115 ℃ 정도로 낮아 가열하면 먼저 녹고 이어서 증기가 되어 타므로 증발연소다. 연소하면 자극성의 이산화황을 낸다.

제5류 위험물은 나이트로기나 질산에스터처럼 분자 안에 산소를 지녀 공기가 없어도 타들어 가는 자기연소(내부연소)를 한다. 산소를 끊는 질식소화가 듣지 않으므로 초기에 다량의 물로 냉각시켜야 한다.

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

(2) 1,500 kg

[해설]

제1종 분말소화약제의 주성분인 탄산수소나트륨은 약 270 ℃에서 1차 열분해하여 CO₂와 수증기를 낸다.
2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

NaHCO₃ 2 kmol이 분해되면 CO₂ 1 kmol이 생기며, 표준상태 기체 1 kmol의 부피는 22.4 m³이다.
CO₂ = 200 ÷ 22.4 ≈ 8.93 kmol
NaHCO₃ = 8.93 × 2 ≈ 17.86 kmol
질량 = 17.86 × 84(분자량) ≈ 1,500 kg

(1) 과망가니즈산염류

(2) 과망가니즈산칼륨

(3) $KMnO_4$

(4) $2KMnO_4 \rightarrow K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$

[해설]

분자량 158의 흑자색 결정은 과망가니즈산칼륨(KMnO₄)이다. K 39 + Mn 55 + O 16×4 = 158로 확인된다.

• 품명 — 제1류 과망가니즈산염류(지정수량 1,000 kg)에 속한다.
• 명칭 — 과망가니즈산칼륨이며, 물에 녹으면 MnO₄⁻ 이온 때문에 짙은 보라색을 띤다.
• 화학식 — KMnO₄로 쓴다.
• 열분해 — 약 240 ℃에서 망가니즈산칼륨, 이산화망가니즈, 산소로 분해된다.

2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂
양변 모두 K 2개, Mn 2개, O 8개로 균형이 맞는다.

(1) 0.5 m 이상

(2) 0.5 m 이상

(3) 20,000 L

(4) $400 \times 40 = 16{,}000$ → 16,000 L

[해설]

위험물안전관리법령이 정한 옥내탱크저장소의 기준이다.

· 옥내저장탱크와 탱크전용실의 벽 사이, 옥내저장탱크 상호 간에는 각각 0.5 m 이상의 간격을 둔다(탱크의 점검 및 보수에 지장이 없는 경우는 제외).

· 단층건물(또는 1층 이하의 층)의 탱크전용실에 설치하는 옥내저장탱크의 용량은 지정수량의 40배 이하로 하되, 제4석유류와 동식물유류를 뺀 제4류 위험물은 그 값이 20,000 L를 넘으면 20,000 L까지만 할 수 있다. 탱크를 둘 이상 설치하면 각 탱크 용량의 합계로 따진다.

(3) 경유는 제2석유류(비수용성)로 지정수량이 1,000 L이므로 $1{,}000 \times 40 = 40{,}000$ L이지만, 한도에 걸려 20,000 L가 된다.

(4) 메탄올은 알코올류로 지정수량이 400 L이므로 $400 \times 40 = 16{,}000$ L이고, 20,000 L 이하라 그대로 16,000 L가 된다.

(1) $\dfrac{30}{78} \times 7.5 \times 22.4 \times \dfrac{100}{21} = 307.69$

(2) 307.69 $\mathrm{m^3}$

[해설]

벤젠 연소반응식에서 벤젠 1 kmol에 산소 7.5 kmol이 필요하다. 표준상태에서 기체 1 kmol은 22.4 m³를 차지한다.

C₆H₆ + 7.5O₂ → 6CO₂ + 3H₂O
벤젠 몰수 = 30 ÷ 78 = 0.3846 kmol
이론산소량 = (30 ÷ 78) × 7.5 × 22.4 = 64.615 m³
이론공기량 = 64.615 ÷ 0.21 = 307.69 m³

혼동 주의: 산소량에서 멈추지 말고 공기 중 산소 비율 21 %로 나눠야 한다. 중간값을 0.38 kmol처럼 잘라서 대입하면 답이 크게 어긋난다.

(1) $\mathrm{CH_2ClBr}$

(2) $\mathrm{CF_2ClBr}$

(3) $\mathrm{CF_3Br}$

(4) $\mathrm{C_2F_4Br_2}$

[해설]

할론 번호는 앞자리부터 C·F·Cl·Br의 원자 수를 나타낸다. 탄소의 결합(탄소 1개당 4)이 남으면 수소로 채운다.

• 할론 1011 — C 1·Cl 1·Br 1이고, 남은 결합 2개를 H가 채워 CH₂ClBr이다.
• 할론 1211 — C 1·F 2·Cl 1·Br 1이므로 CF₂ClBr이다.
• 할론 1301 — C 1·F 3·Br 1이므로 CF₃Br이다.
• 할론 2402 — C 2·F 4·Br 2가 탄소 2개의 결합 6자리를 모두 채워 C₂F₄Br₂이다.

외우는 요령: 셋째 자리가 0이면 염소가 없다는 뜻이다. 그래서 할론 1301과 2402에는 Cl이 없다.

(1) 과염소산, $HClO_4$

(2) 질산, $HNO_3$

[해설]

제6류 위험물(산화성 액체)에는 과염소산·과산화수소·질산이 있고, 지정수량은 모두 300 kg이다.

(1) 과염소산의 분자량은 $1 + 35.5 + (16 \times 4) = 100.5$이므로 증기비중은

$\dfrac{100.5}{29} = 3.4655 \fallingdotseq 3.47$

염소의 원자량을 35.45로 잡으면 $100.45 \div 29 = 3.46$이 되어, 교재에 따라 3.46 또는 3.47로 실린다. 어느 쪽이든 같은 물질을 가리킨다. 무색의 발연성 액체이고 물과 접촉하면 심한 발열과 함께 소리를 내며 반응한다.

(2) 크산토프로테인 반응은 단백질에 진한 질산을 떨어뜨렸을 때 노랗게 변하는 반응이다. 단백질 속 방향족 고리(타이로신·트립토판 등)가 나이트로화되면서 생기는 현상이라, 이 반응을 일으키는 물질은 질산($HNO_3$)이다. 피부에 질산이 닿으면 노랗게 변하는 것도 같은 반응이다.

질산은 빛이나 열에 의해 분해되면 적갈색의 이산화질소를 내놓으므로 갈색 병에 담아 햇빛을 피해 보관한다. 위험물로 규제되는 것은 비중이 1.49 이상인 질산이며, 진한 질산은 철·니켈·알루미늄 표면에 얇은 산화 피막을 만들어 더 이상 반응하지 않는 부동태를 이룬다.

(1) 아이오딘값

(2) ① 불건성유
② 건성유

[해설]

아이오딘값은 유지 100 g에 흡수되는 아이오딘의 g수를 말한다. 아이오딘은 이중결합 자리에 달라붙으므로, 이 값이 클수록 불포화지방산의 이중결합이 많다는 뜻이 된다. 동식물유류는 이 값을 기준으로 세 가지로 나뉜다.

따라서 야자유는 불건성유, 아마인유는 건성유다.

건성유가 위험한 이유는 이중결합이 많아 공기 중 산소와 쉽게 결합하고, 그때 나오는 산화열이 쌓이면 스스로 발화하기 때문이다. 건성유가 묻은 헝겊이나 톱밥을 뭉쳐 두면 열이 빠져나가지 못해 자연발화하는 사고가 대표적이다. 동식물유류의 지정수량은 10,000 L이다.

(1) 0.5 m 이상 3 m 이하

(2) 0.2 m 이상

(3) 1 m 이상

(4) $80{,}000\,\mathrm{m^2}$ 이하

(5) 10기 이하

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 6에 있는 인화성 액체 옥외탱크저장소의 방유제 기준이다.

• 높이 — 0.5 m 이상 3 m 이하로 하여 넘친 위험물을 가둔다.
• 두께 — 철근콘크리트 등으로 0.2 m 이상 확보한다.
• 지하매설깊이 — 바닥 밑으로 새어 나가지 않도록 1 m 이상 묻는다.
• 면적 — 하나의 방유제는 80,000 m² 이하로 한다.
• 탱크 개수 — 원칙적으로 10기 이하다.

탱크 용량이 모두 20만 L 이하이고 인화점이 70 ℃ 이상 200 ℃ 미만이면 20기까지, 인화점이 200 ℃ 이상이면 개수 제한이 없다. 휘발유는 인화점이 약 −43 ℃여서 이 완화를 받지 못하므로 10기 이하다.

$V = \pi r^2 \left( l + \dfrac{l_1 + l_2}{3} \right)$

[해설]

양쪽 경판이 볼록한 횡형 원통형 탱크의 내용적은 가운데 원통부 부피와 양쪽 경판 부피를 더한 값이다.

• 원통부 — 단면적에 길이를 곱해 $\pi r^2 l$ 이다.
• 경판 — 끝으로 갈수록 좁아지므로 튀어나온 길이의 1/3만 반영해 $\pi r^2 \times \dfrac{l_1 + l_2}{3}$ 이다.

둘을 묶으면 $V = \pi r^2 \left(l + \dfrac{l_1 + l_2}{3}\right)$ 이 된다. 혼동 주의: 세워 둔 종형 원통형 탱크는 경판을 따로 셈하지 않고 $V = \pi r^2 l$ 로 계산한다.

(1) $HCN$

(2) 제1석유류(수용성)

(3) 400 L

(4) 0.93

[해설]

사이안화수소는 수소·탄소·질소가 하나씩 결합한 물질로 시성식은 $HCN$이다. 분자량은 $1 + 12 + 14 = 27$이다.

증기비중은 그 기체의 분자량을 공기의 평균 분자량 29로 나눈 값이다.

$\text{증기비중} = \dfrac{27}{29} = 0.9310 \fallingdotseq \mathbf{0.93}$

값이 1보다 작으므로 사이안화수소의 증기는 공기보다 가볍다. 제4류 위험물의 증기는 대부분 공기보다 무거워 낮은 곳에 고이는데, 사이안화수소는 그 예외에 해당해 시험에 자주 나온다.

물에 잘 녹는 수용성 액체이고 인화점이 -17 ℃로 낮아 제1석유류(수용성)에 속하며, 수용성 제1석유류의 지정수량은 400 L이다. 같은 제1석유류라도 비수용성이면 200 L이므로 수용성 여부를 반드시 확인해야 한다.

맹독성 물질이며, 연소범위가 넓어 소량만 새어 나와도 폭발성 혼합기를 만든다.

(1) 적린

(2) 공기를 차단한 상태에서 황린을 약 260 ℃로 가열한다.

(3) $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

[해설]

동소체란 같은 원소로 이루어졌으나 원자의 배열이 달라 성질이 서로 다른 물질을 말한다. 인(P)의 동소체인 황린과 적린은 구성 원소가 같은데도 위험물 분류부터 갈린다.

황린은 발화점이 34 ℃로 낮아 공기 중에 두면 스스로 타오른다. 그래서 공기를 차단한 채 약 260 ℃로 가열하면 분자 구조가 바뀌면서 훨씬 안정한 적린으로 변한다. 공기가 통하는 상태에서 가열하면 적린이 만들어지는 대신 그대로 연소해 버리므로, 공기 차단이라는 조건이 답에서 빠지면 안 된다.

연소반응식은 두 물질 모두 오산화인($P_2O_5$)을 내놓는 것으로 끝난다. 다만 적린은 화학식을 $P$로 쓰므로 계수가 달라진다.

· 적린: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

· 황린: $P_4 + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

생성물인 오산화인은 백색 연기 형태의 고체이며 자극성이 강하다. 두 물질 모두 소화는 다량의 물로 냉각소화한다.

(1) 제1석유류 — 아세톤, 에틸벤젠

(2) 제2석유류 — 아세트산, 폼산, 클로로벤젠, 경유

(3) 제3석유류 — 글리세린, 나이트로벤젠, 나이트로톨루엔

[해설]

제4류 석유류는 1기압에서의 인화점으로 나눈다. 제1석유류는 21 ℃ 미만, 제2석유류는 21 ℃ 이상 70 ℃ 미만, 제3석유류는 70 ℃ 이상 200 ℃ 미만이다.

• 제1석유류 — 아세톤(약 -18 ℃), 에틸벤젠(약 15 ℃)이다.
• 제2석유류 — 클로로벤젠(약 27 ℃), 아세트산(약 40 ℃), 폼산(약 55 ℃), 경유(50~70 ℃)이다.
• 제3석유류 — 나이트로벤젠(약 88 ℃), 나이트로톨루엔(약 106 ℃), 글리세린(약 160 ℃)이다.

혼동 주의: 벤젠은 제1석유류지만 클로로벤젠은 인화점이 21 ℃를 넘어 제2석유류다.

(1) $C_2H_6$

(2) 없음

(3) $CH_4$

[해설]

제3류 금수성 물질인 알킬알루미늄·알킬리튬은 물과 만나면 알킬기가 수소를 받아 탄화수소 기체로 떨어져 나온다.

• 트라이에틸알루미늄은 에틸기 3개가 가연성 에테인(C₂H₆)으로 나온다.
  (C₂H₅)₃Al + 3H₂O → Al(OH)₃ + 3C₂H₆
• 과산화칼슘은 물과 반응해 산소만 내므로 가연성 기체는 없음이다.
  2CaO₂ + 2H₂O → 2Ca(OH)₂ + O₂
• 메틸리튬은 메틸기가 가연성 메테인(CH₄)으로 나온다.
  CH₃Li + H₂O → LiOH + CH₄

혼동 주의: 산소는 다른 물질이 타도록 돕는 조연성 기체이고, 스스로 타는 가연성 기체가 아니다.

(1) $\dfrac{1{,}000}{55.85} \times \dfrac{3}{4} \times 22.4 = 300.81$

(2) 300.81 L

[해설]

반응식의 계수비는 몰수비이므로 Fe 4 mol이 탈 때 O₂ 3 mol이 소비된다. 표준상태에서 기체 1 mol의 부피는 22.4 L이다.

V = (Fe 질량 ÷ 원자량) × 3/4 × 22.4
= (1,000 ÷ 55.85) × 3/4 × 22.4
= 300.81 L

Fe 몰수를 중간에 반올림하지 말고 마지막에 한 번만 반올림해야 300.81 L가 나온다.

(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 운반기준은 함께 실을 수 있는 유별 짝만 정해 두고, 나머지 조합은 모두 혼재를 금지한다.

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

외우는 요령: 혼재 가능한 쌍은 1-6, 2-4, 2-5, 3-4, 4-5 다섯 쌍뿐이고, 나머지는 모두 혼재 불가다. 이 기준은 지정수량의 1/10 이하인 위험물에는 적용하지 않는다.