$C_2H_5OC_2H_5 + 6O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$

[해설]

다이에틸에터의 시성식은 $C_2H_5OC_2H_5$, 분자식은 $C_4H_{10}O$(분자량 74)다.

완전연소하면 탄소는 모두 이산화탄소, 수소는 모두 물이 된다.

• 탄소 4개 → $4CO_2$

• 수소 10개 → $5H_2O$

• 산소 균형: 우변 $4 \times 2 + 5 = 13$개, 좌변은 분자 자체가 가진 1개를 빼면 12개가 필요하므로 $O_2$ 계수는 6이다.

$C_2H_5OC_2H_5 + 6O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$

다이에틸에터는 인화점 -45 ℃, 연소범위 약 1.9~48 %로 제4류 위험물 중에서도 위험성이 크며 지정수량은 50 L다. 공기·햇빛에 오래 노출되면 과산화물이 생기므로 갈색 병에 넣어 냉암소에 저장한다.

삼황화인 → 황 → 적린 → 마그네슘

[해설]

착화온도(발화점)는 불꽃을 대지 않아도 스스로 타기 시작하는 온도로, 값이 낮을수록 위험하다. 네 물질의 착화점은 다음과 같다.

· 삼황화인 $\mathrm{P_4S_3}$ — 약 100 ℃ (지정수량 100 kg)

· 황(사방황) $\mathrm{S}$ — 약 232 ℃ (100 kg)

· 적린 $\mathrm{P}$ — 약 260 ℃ (100 kg)

· 마그네슘 $\mathrm{Mg}$ — 약 473 ℃ (500 kg)

100 ℃ 대 → 200 ℃ 대 → 400 ℃ 대로 자릿수가 벌어져 있어 순서를 헷갈릴 여지가 적다. 삼황화인은 황화인 세 형제 가운데 가장 낮은 온도에서 불이 붙고, 적린은 황린과 같은 원소의 동소체지만 훨씬 안정해 260 ℃ 는 되어야 탄다. 마그네슘은 발화점이 가장 높은 대신 한 번 붙으면 물과 반응해 수소를 내므로 주수소화를 하면 안 된다.

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

마그네슘의 착화온도는 자료에 따라 500 ℃ 안팎으로도 제시되지만 어느 값을 쓰든 적린보다 훨씬 높아 순서는 달라지지 않는다. 같은 인 계열이라도 황린은 제3류 위험물이고 착화점이 약 34 ℃ 로 훨씬 낮아 자연발화한다.

3,000배 이상

[해설]

자체소방대는 대량의 제4류 위험물을 다루는 사업소가 스스로 갖추는 소방조직이다. 설치 기준은 다음과 같다.

• 제조소·일반취급소 : 취급하는 제4류 위험물의 최대수량 합계가 지정수량의 3,000배 이상인 경우

• 옥외탱크저장소 : 저장하는 제4류 위험물의 최대수량이 지정수량의 50만 배 이상인 경우

지정수량 배수에 따라 두어야 하는 화학소방자동차와 자체소방대원 수도 달라지며, 3,000배 이상 12만 배 미만이면 화학소방자동차 1대와 소방대원 5인이 기준이다.

다만 보일러·단순 이송 등으로 제4류 위험물을 취급하는 일부 일반취급소는 대상에서 제외된다.

① 제1석유류

② 알코올류

[해설]

제4류 위험물(인화성 액체)의 위험등급은 인화점이 낮을수록, 곧 불이 붙기 쉬울수록 높게 매겨진다.

· 위험등급 Ⅰ — 특수인화물(지정수량 50 L)

· 위험등급 Ⅱ — 제1석유류(비수용성 200 L / 수용성 400 L), 알코올류(400 L)

· 위험등급 Ⅲ — 제2석유류(비수용성 1,000 L / 수용성 2,000 L), 제3석유류(비수용성 2,000 L / 수용성 4,000 L), 제4석유류(6,000 L), 동식물유류(10,000 L)

즉 특수인화물만 Ⅰ등급이고 제1석유류와 알코올류가 Ⅱ등급, 나머지 제4류 위험물은 모두 Ⅲ등급이다.

제1석유류는 인화점이 21 ℃ 미만인 것(휘발유·아세톤·벤젠·톨루엔 등)이고, 알코올류는 탄소원자 수가 1~3개인 포화 1가 알코올(메틸알코올·에틸알코올·아이소프로필알코올)을 말한다. 특수인화물은 발화점 100 ℃ 이하이거나 인화점 -20 ℃ 이하이면서 끓는점이 40 ℃ 이하인 것이다. 위험등급은 운반용기의 최대용적이나 저장·취급 기준을 가를 때 쓰이므로 유별로 묶어 외워 두는 것이 좋다.

㉠ 100 L 이하

㉡ 200 L 이하

㉢ 4분 이하

㉣ 4분 이하

[해설]

셀프용 고정주유설비는 운전자가 직접 주유하는 설비이므로, 위험물안전관리법 시행규칙의 주유취급소 기준은 과잉 주유를 막기 위해 1회 연속 주유량과 주유시간의 상한을 정해 두도록 하고 있다.

주유량 상한이 갈리는 것은 경유를 쓰는 화물차의 연료탱크가 크기 때문이고, 주유시간 상한은 두 유종 모두 4분으로 같다.

셀프용 고정급유설비의 경우에는 1회 연속 급유량의 상한이 100 L 이하, 급유시간의 상한이 6분 이하다.

이 밖에 셀프용 설비에는 주유노즐이 자동으로 정지하는 구조, 급유호스가 일정 인장력 이상에서 분리되고 분리된 부분에서 위험물이 새지 않는 구조 등이 요구된다.

분해반응식 : $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

기체 : 산소

[해설]

과산화수소는 분해되어 물과 산소가 된다.

$2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

발생하는 기체는 산소이며, 이산화망가니즈($MnO_2$)는 반응을 빠르게 하는 정촉매일 뿐 반응식에는 나타나지 않는다. 반응식 위에 촉매를 병기해 표기하기도 한다.

과산화수소는 농도 36 중량퍼센트 이상인 것만 위험물로 보며, 지정수량은 300 kg이다. 분해로 생긴 산소 때문에 밀폐 용기에 담으면 내압이 올라가므로 용기 마개에 구멍을 뚫어 보관하고, 인산·요산 같은 안정제를 넣어 분해를 억제한다.

분해 시 산소를 내놓는 산화성 액체이므로 가연물·유기물과 접촉시키지 않도록 주의한다.

품명 : 특수인화물

지정수량 : 50 L

[해설]

특수인화물은 1기압에서 발화점이 100 ℃ 이하인 것, 또는 인화점이 -20 ℃ 이하이면서 비점이 40 ℃ 이하인 것을 말한다.

다이에틸에터($C_2H_5OC_2H_5$)는 인화점이 약 -45 ℃, 비점이 약 34.6 ℃로 뒤쪽 요건을 충족하므로 특수인화물이며, 지정수량은 50 L다.

같은 특수인화물에는 이황화탄소·아세트알데하이드·산화프로필렌이 있고, 이들 역시 지정수량이 50 L로 같다.

다이에틸에터는 연소범위가 약 1.9~48 %로 넓고 정전기에도 착화하므로, 저장 용기의 공간용적을 2 % 이상 확보하고 과산화물 생성을 막기 위해 갈색 병에 넣어 냉암소에 둔다.

(1) 2 m 이상

(2) 20배 이상

[해설]

가연성 증기나 미분이 체류할 우려가 있는 제조소 건축물에는 배출설비를 갖춰야 한다. 배출은 국소방식이 원칙이며, 위험물안전관리법 시행규칙의 제조소 기준은 다음을 요구한다.

• 배출설비는 배풍기·배출덕트·후드 등을 이용해 강제로 배출하는 방식으로 할 것

• 배출구는 지상 2 m 이상 높이에, 연소의 우려가 없는 장소에 설치하고 배출덕트가 관통하는 벽 부근에 화재 시 자동으로 닫히는 방화댐퍼를 설치할 것

• 배출능력은 1시간당 배출장소 용적의 20배 이상으로 할 것

다만 전역방식으로 하는 경우에는 바닥면적 1 m²당 18 m³ 이상으로 한다.

배풍기는 강제배기방식으로 하고, 옥내덕트의 내압이 대기압 이상이 되지 않는 위치에 설치한다.

(1) $CH_3COCH_3 + 4O_2 \rightarrow 3CO_2 + 3H_2O$ 이므로 $4\,\mathrm{mol} \times 22.4\,\mathrm{L/mol} = 89.6\,\mathrm{L}$

(2) 89.6 L

[해설]

아세톤의 시성식은 $CH_3COCH_3$, 분자식은 $C_3H_6O$다. 완전연소식을 세우면

• 탄소 3개 → $3CO_2$

• 수소 6개 → $3H_2O$

• 산소 균형: 우변 $3 \times 2 + 3 = 9$개, 아세톤이 가진 산소 1개를 빼면 8개가 더 필요하므로 $O_2$ 계수는 4다.

$CH_3COCH_3 + 4O_2 \rightarrow 3CO_2 + 3H_2O$

아세톤 1 mol 당 산소 4 mol 이 필요하고, 표준상태에서 기체 1 mol 의 부피는 22.4 L이므로

$V = 4\,\mathrm{mol} \times 22.4\,\mathrm{L/mol} =$$89.6\,\mathrm{L}$

아세톤은 제4류 위험물 제1석유류(수용성)로 지정수량은 400 L이며, 인화점은 약 -18 ℃다.

$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3 + 3CH_4$

[해설]

탄화알루미늄($Al_4C_3$)은 제3류 위험물 중 칼슘 또는 알루미늄의 탄화물로, 지정수량은 300 kg인 금수성 물질이다.

물과 만나면 알루미늄은 수산화물이 되고 탄소는 수소를 받아 메테인이 된다.

$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3 + 3CH_4$

즉 탄화알루미늄 1 mol 이 물 12 mol 과 반응하면 메테인 3 mol(표준상태에서 $3 \times 22.4 = 67.2\,\mathrm{L}$)이 발생한다. 메테인은 연소범위 5~15 %의 가연성 기체이므로 물이 닿으면 화재·폭발로 이어진다.

따라서 주수소화는 금물이며, 마른모래·팽창질석·팽창진주암이나 탄산수소염류 분말소화약제로 질식소화한다.

철분, 알킬알루미늄

[해설]

포소화약제는 물을 바탕으로 한 수계 소화약제다. 그래서 물과 반응해 가연성 가스를 내는 위험물에는 적응성이 없다.

철분은 제2류 위험물의 “철분·금속분·마그네슘”에 속한다. 물이나 산과 반응해 수소를 발생시키므로 주수·포·물분무 모두 부적응이고, 탄산수소염류 분말소화약제나 마른모래·팽창질석으로 질식소화한다.

알킬알루미늄은 제3류 위험물 가운데 금수성 물품이다. 물과 격렬히 반응해 에테인 등 가연성 가스를 내므로 포는 물론 물분무·옥내소화전도 쓸 수 없고, 탄산수소염류 분말·마른모래·팽창질석만 쓸 수 있다.

나머지 셋은 포소화설비로 소화할 수 있다. 황린은 제3류지만 금수성 물품이 아니어서 주수·포가 가능하고(오히려 물속에 저장한다), TNT는 제5류로 다량의 물·포로 냉각소화하며, 인화성 고체 역시 물·포로 냉각소화한다.

(1) $NH_4H_2PO_4$

(2) $NaHCO_3$

[해설]

(1) 제3종 분말소화약제(제1인산암모늄, $NH_4H_2PO_4$)는 단계적으로 열분해되며 마지막에 메타인산($HPO_3$)을 만든다. 메타인산은 끈끈한 막이 되어 가연물 표면을 덮는 방진작용을 하므로, 다시 불이 붙는 것을 막아 A·B·C급 화재에 모두 쓸 수 있다.

$NH_4H_2PO_4 \rightarrow NH_3 + H_3PO_4$ (약 190 ℃, 오쏘인산)

$2H_3PO_4 \rightarrow H_4P_2O_7 + H_2O$ (약 215 ℃, 피로인산)

$H_4P_2O_7 \rightarrow 2HPO_3 + H_2O$ (약 300 ℃, 메타인산)

(2) 제1종 분말소화약제(탄산수소나트륨, $NaHCO_3$)는 열분해로 생긴 나트륨 이온이 기름의 지방산과 반응해 비누를 만드는 비누화반응을 일으킨다. 이때 생기는 거품층이 기름 표면을 덮어 재발화를 막으므로 식용유화재(K급)에 효과가 있다.

$2NaHCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O$ (약 270 ℃)

참고로 제2종은 탄산수소칼륨($KHCO_3$), 제4종은 탄산수소칼륨과 요소의 반응물이다.

(1) $CH_3CHO$

(2) $CH_3COCH_3$

(3) $C_6H_5NH_2$

(4) $C_6H_5CH{=}CH_2$

[해설]

시성식은 분자 안의 작용기가 드러나도록 쓴 식이다.

(1) 아세트알데하이드 $CH_3CHO$ — 알데하이드기($-CHO$)를 가진 특수인화물(지정수량 50 L). 인화점 약 -38 ℃, 비점 약 21 ℃로 상온에서도 쉽게 기화한다.

(2) 아세톤 $CH_3COCH_3$ — 카보닐기($-CO-$)가 두 메틸기 사이에 있는 케톤. 제1석유류(수용성, 400 L).

(3) 아닐린 $C_6H_5NH_2$ — 벤젠고리에 아미노기($-NH_2$)가 붙은 방향족 아민. 제3석유류(비수용성, 2,000 L). 일부 교재 해설에 $C_6H_5NH_{23}$처럼 아래첨자가 잘못 인쇄된 것이 있으나 $C_6H_5NH_2$가 맞다.

(4) 스타이렌 $C_6H_5CH{=}CH_2$ — 벤젠고리에 바이닐기($-CH{=}CH_2$)가 붙은 구조로, 이중결합을 살려 써야 한다. 제2석유류(비수용성, 1,000 L)이며 중합해 폴리스타이렌이 된다.

① 나이트로글리세린

② 나이트로글리콜

③ 나이트로셀룰로스

④ 질산메틸

[해설]

제5류 위험물의 지정수량은 제1종 10 kg, 제2종 100 kg의 두 가지다. 2020년 시행령 개정 전에는 품명마다 지정수량이 붙어 있었고(유기과산화물·질산에스터류 10 kg, 하이드록실아민·하이드록실아민염류 100 kg, 나이트로화합물·나이트로소화합물·아조화합물·다이아조화합물·하이드라진유도체 200 kg), 개정으로 품명별 지정수량이 사라지고 자기반응성 시험 결과에 따라 제1종·제2종으로 나누는 방식이 되었다.

10 kg(제1종)으로 다루는 대표 물질은 질산에스터류다.

• 질산메틸 $CH_3ONO_2$ — 무색 액체, 단맛이 있고 향기가 난다.

• 질산에틸 $C_2H_5ONO_2$ — 인화점이 낮은 무색 액체.

• 나이트로글리세린 $C_3H_5(ONO_2)_3$ — 다이너마이트의 원료, 충격에 매우 예민하다.

• 나이트로글리콜 $C_2H_4(ONO_2)_2$ — 나이트로글리세린과 함께 다이너마이트에 배합한다.

• 나이트로셀룰로스 — 함수 알코올로 습면시켜 저장하는 고체(질화면).

한편 트라이나이트로톨루엔(TNT)·트라이나이트로페놀 같은 나이트로화합물은 개정 전 200 kg 계열이었고 현재는 통상 제2종(100 kg)으로 다룬다. 일부 교재가 TNT를 10 kg 예시로 싣고 있으나, 같은 교재가 다른 회차에서 트라이나이트로페놀을 100 kg으로 적고 있어 서로 어긋난다. 10 kg 예시로는 두 교재가 모두 10 kg으로 싣는 질산에스터류를 쓰는 것이 안전하다.

① 표면연소

② 분해연소

③ 증발연소

④ 자기연소

[해설]

고체의 연소는 가연물이 어떤 형태로 산소와 접촉하는가에 따라 다음 네 가지로 정리된다.

① 표면연소 — 열분해나 증발 과정 없이 고체 표면에서 산소와 직접 반응해 불꽃 없이 타는 형태. 목탄·코크스·숯·금속분·마그네슘이 여기에 해당한다.

② 분해연소 — 가열로 고체가 열분해되어 생긴 가연성 기체가 불꽃을 내며 타는 형태. 목재·종이·섬유·플라스틱·석탄이 대표적이다.

③ 증발연소 — 고체가 녹거나 승화해 만들어진 증기가 타는 형태. 황·나프탈렌·양초(파라핀)가 해당한다.

④ 자기연소(내부연소) — 분자 안에 산소를 지니고 있어 공기 중 산소 공급이 없어도 스스로 타는 형태. 나이트로셀룰로스처럼 제5류 위험물 중 고체가 여기에 속한다.

확산연소·예혼합연소는 기체의 연소 형태이고 액면연소·등심연소는 액체의 연소 형태이므로 이 문항의 답이 될 수 없다.

$4CrO_3 \rightarrow 2Cr_2O_3 + 3O_2$

[해설]

삼산화크로뮴(무수크로뮴산, $CrO_3$)은 제1류 위험물 가운데 크로뮴·납 또는 아이오딘의 산화물에 해당하는 산화성 고체로, 지정수량은 300 kg이다.

가열하면 크로뮴의 산화수가 +6에서 +3으로 낮아지면서 산화크로뮴(Ⅲ)이 남고, 남는 산소는 기체로 빠져나간다.

$4CrO_3 \rightarrow 2Cr_2O_3 + 3O_2$

원자수를 확인하면 크로뮴은 좌우 모두 4개, 산소는 좌변 12개 = 우변 6개 + 6개로 균형이 맞는다. 생성물의 항 순서를 바꿔 $4CrO_3 \rightarrow 3O_2 + 2Cr_2O_3$로 써도 같은 반응식이다.

분해로 산소가 나오므로 다른 가연물과 함께 있으면 연소를 크게 키운다 — 산화성 고체를 가연물과 격리해 저장하는 이유다.

(1) 차광성이 있는 피복

(2) 차광성이 있는 피복

(3) 방수성이 있는 피복

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 19는 운반 시 적재 방법을 정하면서, 햇빛에 약한 위험물은 차광성 있는 피복으로, 물과 반응하는 위험물은 방수성 있는 피복으로 덮도록 하고 있다.

제5류 위험물은 자기반응성이라 햇빛·열을 받으면 분해가 빨라지고, 제6류 위험물은 산화성 액체로 직사광선에 분해되므로 모두 차광성 피복 대상이다. 철분은 물과 만나면 수소를 발생시키는 금수성이므로 방수성 피복으로 덮는다.

제1류 위험물 중 알칼리금속의 과산화물처럼 두 성질을 함께 가진 것은 차광성과 방수성 피복을 모두 해야 한다.

$NH_4NO_3$

[해설]

조건에 맞는 물질은 질산암모늄($NH_4NO_3$)이다.

• 분자량 : $14 + (1 \times 4) + 14 + (16 \times 3) = 80$

• 제1류 위험물 질산염류에 속하며 지정수량은 300 kg이다.

• 물과 알코올에 잘 녹고, 녹을 때 열을 빼앗는 흡열반응을 보여 수용액의 온도가 내려간다(냉각팩의 원리).

강하게 가열하거나 충격을 주면 급격히 분해하며 다량의 기체를 낸다.

$2NH_4NO_3 \rightarrow 2N_2 + 4H_2O + O_2$

경유와 섞어 만든 ANFO 폭약의 원료로 쓰일 만큼 폭발 위험이 있으므로, 가연물·유기물과 격리해 저장한다.

(1) $V = \dfrac{300\,\mathrm{kg}}{1.49\,\mathrm{kg/L}} = 201.34\,\mathrm{L}$

(2) 201.34 L

[해설]

질산은 제6류 위험물(산화성 액체)로 지정수량이 300 kg이며, 위험물안전관리법 시행령 별표 1은 질산을 비중 1.49 이상인 것으로 한정한다. 즉 위험물로 취급되는 질산의 밀도 하한이 1.49다.

지정수량은 질량으로 정해져 있으므로 부피로 바꾸려면 밀도로 나눈다.

$\rho = 1.49\,\mathrm{g/cm^3} = 1.49\,\mathrm{kg/L}$

$V = \dfrac{W}{\rho} = \dfrac{300\,\mathrm{kg}}{1.49\,\mathrm{kg/L}} = 201.342\cdots$

따라서 201.34 L다. 비중이 클수록 같은 질량이 차지하는 부피는 줄어들므로, 비중 하한(1.49)을 쓰면 부피 환산값은 최댓값이 된다.

살수설비

[해설]

옥외저장소는 지붕이 없는 곳에 위험물을 두는 저장소이므로 여름철 복사열로 위험물의 온도가 크게 오를 수 있다. 위험물안전관리법 시행규칙의 옥외저장소 기준은 인화성 고체, 제1석유류 또는 알코올류를 저장하는 옥외저장소에 위험물을 적당한 온도로 유지하기 위한 살수설비 등을 갖추도록 하고 있다.

알코올류는 인화점이 낮아(메틸알코올 약 11 ℃, 에틸알코올 약 13 ℃) 온도가 오르면 증기가 쉽게 만들어지므로, 물을 뿌려 용기와 주위를 식히는 것이다.

참고로 인화성 고체·제1석유류·알코올류를 저장하는 옥외저장소의 살수설비 설치 부분에는 배수구와 집유설비도 함께 갖춰야 한다.