아세톤, 메틸알코올, 에틸알코올

[해설]

[보기]의 물질을 품명별로 정리하면 다음과 같다.

따라서 지정수량이 400 L 로 같은 것은 아세톤·메틸알코올·에틸알코올 세 가지다.

이 문제의 함정은 두 가지다. 첫째, 같은 제1석유류라도 물에 녹는지에 따라 수용성은 400 L, 비수용성은 200 L 로 갈린다. 아세톤은 물과 잘 섞이므로 400 L, 가솔린은 섞이지 않으므로 200 L 다. 둘째, 알코올류는 한 분자를 이루는 탄소 원자 수가 1개에서 3개까지인 포화 1가 알코올을 말하며 지정수량은 400 L 다. 메틸알코올과 에틸알코올이 여기에 해당한다.

(1) 30 mm 이상

(2) 45° 이상

[해설]

옥외탱크저장소에 두는 밸브 없는 통기관의 기준은 위험물안전관리법 시행규칙에 다음과 같이 정해져 있다.

① 지름은 30 mm 이상으로 한다.

② 끝부분은 수평면보다 45° 이상 구부려 빗물 등이 들어가지 않게 한다.

③ 가는 눈의 구리망 등으로 인화방지장치를 설치한다. 다만 인화점 70 ℃ 이상의 위험물만을 그 인화점 미만의 온도로 저장·취급하는 탱크의 통기관에는 두지 않을 수 있다.

통기관은 탱크 안팎의 압력을 같게 맞춰 주는 장치다. 위험물을 넣거나 빼낼 때, 또는 기온이 변할 때 탱크 안의 압력이 오르내리는데 이를 그대로 두면 탱크가 부풀거나 찌그러진다. 관 끝을 아래로 꺾어 두는 것은 빗물·먼지의 침입을 막기 위해서이고, 구리망을 두는 것은 밖의 불꽃이 관을 타고 탱크 안으로 들어가는 것을 막기 위해서다.

한편 대기밸브부착 통기관은 5 kPa 이하의 압력 차이로 작동할 수 있어야 한다.

(1) 2 m 이상

(2) 0.4 $\mathrm{m^2}$ 이내

(3) 그 벽면 면적의 80분의 1 이내

[해설]

지정과산화물이란 제5류 위험물 중 유기과산화물 또는 이를 함유하는 것으로서 지정수량이 10 kg 인 것을 말한다. 충격·마찰만으로도 폭발할 수 있어 옥내저장소 기준이 따로 강화되어 있다.

창에 관한 기준은 위험물안전관리법 시행규칙에 따라 다음과 같다.

① 창은 바닥면으로부터 2 m 이상의 높이에 둔다.

② 창 하나의 면적은 0.4 $\mathrm{m^2}$ 이내로 한다.

③ 한 벽면에 두는 창 면적의 합계는 그 벽면 면적의 80분의 1 이내로 한다.

창을 높고 작게 내는 것은 직사광선과 외부 충격을 피하고, 개구부를 줄여 폭발 시 피해가 번지지 않게 하기 위해서다. 이 밖에도 저장창고는 150 $\mathrm{m^2}$ 이내마다 격벽으로 완전히 구획하고, 외벽은 두께 20 cm 이상의 철근콘크리트조 등으로 하며, 지붕은 가벼운 재료로 덮어 폭발압력이 위로 빠지도록 한다.

$CaC_2 + N_2 \rightarrow CaCN_2 + C$

[해설]

탄화칼슘(카바이드)은 제3류 위험물인 칼슘의 탄화물로, 지정수량은 300 kg 이다. 약 1,000 ℃ 의 고온에서 질소와 만나면 질소가 고정되어 석회질소(칼슘사이안아마이드, $CaCN_2$)와 탄소가 생긴다.

$CaC_2 + N_2 \rightarrow CaCN_2 + C$

양변의 원자 수를 세어 보면 칼슘 1개, 탄소 2개, 질소 2개로 계수를 따로 붙이지 않아도 균형이 맞는다. 이 반응은 석회질소 비료를 얻는 공업적 제법으로도 쓰인다.

탄화칼슘의 대표적인 위험성은 물과의 반응이다. $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2$ 로 가연성 가스인 아세틸렌을 내므로, 저장할 때는 용기를 밀봉하고 질소 등 불활성 기체를 채워 습기를 막는다.

(1) 황색

(2) 흑색

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙은 주유취급소에 “주유 중 엔진정지” 게시판을 두도록 하고, 그 색상을 황색 바탕에 흑색 문자로 정하고 있다. 게시판은 한 변이 0.3 m 이상, 다른 한 변이 0.6 m 이상인 직사각형으로 한다.

주유 중 시동을 끄게 하는 이유는 배기관의 불티나 전기 계통의 불꽃이 휘발유 증기의 점화원이 될 수 있기 때문이다.

다른 게시판과 헷갈리기 쉬우니 색을 함께 정리해 둔다.

마그네슘이 이산화탄소를 환원시켜 가연성 가스인 일산화탄소와 탄소를 만들어 내므로, 불이 꺼지기는커녕 연소가 계속되기 때문이다.

[해설]

이산화탄소 소화기는 산소 농도를 낮추는 질식소화를 노린 것이지만, 마그네슘처럼 환원력이 강한 금속 앞에서는 이산화탄소가 오히려 산소 공급원이 된다. 마그네슘이 $CO_2$ 에서 산소를 빼앗아 산화마그네슘이 되고, 남은 탄소는 그대로 또는 일산화탄소가 되어 나온다.

$2Mg + CO_2 \rightarrow 2MgO + C$

$Mg + CO_2 \rightarrow MgO + CO$

이때 생기는 일산화탄소는 그 자체가 가연성이며 유독하다. 따라서 소화 효과가 없을 뿐 아니라 화재와 중독 위험을 더 키운다.

물도 쓸 수 없다. $Mg + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + H_2$ 로 수소가 발생해 폭발할 수 있기 때문이다. 마그네슘 화재(금속화재)에는 마른모래, 팽창질석, 팽창진주암 등으로 덮어 공기를 차단하는 방법을 쓴다.

마그네슘은 제2류 가연성 고체이며 지정수량은 500 kg 이다.

약 18.85 $\mathrm{m^3}$

[해설]

세로(종)로 설치한 원통형 탱크의 내용적은 원통 부분만 계산한다.

$V = \pi r^2 l$

여기서 $l$ 은 원통부의 높이이며, 윗부분의 둥근 경판은 내용적에 넣지 않는다. 값을 대입하면 다음과 같다.

$V = \pi \times 1^2 \times 6 = 18.85\ \mathrm{m^3}$

따라서 내용적은 약 18.85 $\mathrm{m^3}$ 이다.

가로(횡)로 설치한 원통형 탱크라면 양쪽 경판까지 셈에 넣어 $V = \pi r^2 \left(l + \dfrac{l_1 + l_2}{3}\right)$ 로 계산하므로 공식이 달라진다. 두 경우를 구분해 두어야 한다.

또한 탱크의 용량은 내용적 그대로가 아니라 내용적에서 공간용적을 뺀 값이며, 공간용적은 보통 내용적의 5~10 % 로 잡는다. 이 문제는 용량이 아니라 내용적만 물었으므로 공간용적을 뺄 필요가 없다.

$NH_4H_2PO_4 \rightarrow HPO_3 + NH_3 + H_2O$

[해설]

제3종 분말소화약제의 주성분은 제일인산암모늄(인산이수소암모늄) $NH_4H_2PO_4$ 이며, 담홍색으로 착색한다. A·B·C급 화재에 모두 적응하는 유일한 분말약제다.

완전분해식은 다음과 같다.

$NH_4H_2PO_4 \rightarrow HPO_3 + NH_3 + H_2O$

양변을 세어 보면 N 1개, H 6개, P 1개, O 4개로 균형이 맞는다. 실제 분해는 온도에 따라 단계적으로 일어나며, 이 세 식을 더하면 위의 완전분해식이 된다.

① 약 190 ℃ : $NH_4H_2PO_4 \rightarrow NH_3 + H_3PO_4$

② 약 215 ℃ : $2H_3PO_4 \rightarrow H_4P_2O_7 + H_2O$

③ 약 300 ℃ : $H_4P_2O_7 \rightarrow 2HPO_3 + H_2O$

마지막에 남는 메타인산($HPO_3$)이 가연물 표면에 유리질 피막을 만들어 산소를 차단하기 때문에, 제3종 분말은 일반 가연물 화재(A급)에도 효과가 있다.

(1) $NaClO_2$

(2) $K_2O_2$

(3) $KClO_4$

(4) $KBrO_3$

[해설]

염류의 화학식은 금속 양이온과 산소산 음이온의 전하를 맞춰 세운다. 염소의 산소산 음이온은 산소 수가 늘어날수록 아염소산 $ClO_2^-$ → 염소산 $ClO_3^-$ → 과염소산 $ClO_4^-$ 순으로 이름이 바뀌므로, 여기에 1가 양이온 $Na^+$ 또는 $K^+$ 을 하나 붙이면 된다.

(1) 아염소산나트륨은 $Na^+$ 과 $ClO_2^-$ 의 결합이므로 $NaClO_2$ 이며 아염소산염류에 속한다.

(2) 과산화칼륨은 산화물이 아니라 과산화 이온 $O_2^{2-}$ 을 갖는 무기과산화물이다. 전하를 맞추려면 $K^+$ 이 두 개 필요하므로 $K_2O_2$ 가 된다. 산화칼륨 $K_2O$ 와 혼동하기 쉽다. 물과 만나면 $2K_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 4KOH + O_2$ 로 산소를 내놓는 금수성 물질이다.

(3) 과염소산칼륨은 $KClO_4$ 로, 제6류 위험물인 과염소산 $HClO_4$ 와는 다른 물질이다.

(4) 브로민산칼륨은 브로민산 이온 $BrO_3^-$ 과 $K^+$ 이 결합한 $KBrO_3$ 이다.

네 물질 모두 그 자체는 타지 않지만 가열·충격으로 분해하면서 산소를 내놓아 다른 가연물의 연소를 크게 돕는다. 이 때문에 가연물·강산과 떨어뜨려 저장한다.

(1) $2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2$

(2) $H_2$

[해설]

리튬은 제3류 위험물인 알칼리금속으로 지정수량은 50 kg 이다. 물과 만나면 격렬하게 반응해 수산화리튬이 되면서 수소를 내놓는다.

$2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2$

양변을 세면 Li 2개, H 4개, O 2개로 균형이 맞는다. 이 반응은 열을 내므로, 발생한 수소가 반응열로 점화되면 폭발로 이어질 수 있다.

그래서 리튬 화재에는 물을 뿌리면 안 되고 마른모래나 팽창질석 등으로 덮어 질식소화한다. 보관할 때도 물기를 피하고 석유류 속에 넣거나 밀봉해 습기와의 접촉을 막는다. 불꽃반응 색이 적색인 것도 함께 기억해 둘 만하다.

(1) $2KHCO_3 \rightarrow K_2CO_3 + CO_2 + H_2O$

(2) 약 38.79 $\mathrm{m^3}$

[해설]

제2종 분말소화약제는 탄산수소칼륨($KHCO_3$)을 주성분으로 하며, 190 ℃ 부근에서 다음과 같이 1차 분해한다.

$2KHCO_3 \rightarrow K_2CO_3 + CO_2 + H_2O$

① 탄산수소칼륨의 분자량은 $39 + 1 + 12 + 16 \times 3 = 100$ 이므로 200 kg 은 $\dfrac{200}{100} = 2\ \mathrm{kmol}$ 이다.

② 반응식에서 $KHCO_3$ 2 mol 이 분해할 때 $CO_2$ 1 mol 이 나오므로, 발생하는 이산화탄소는 $2 \times \dfrac{1}{2} = 1\ \mathrm{kmol}$ 이다.

③ 이상기체 상태방정식에 대입한다. 절대온도는 $273 + 200 = 473\ \mathrm{K}$ 이다.

$V = \dfrac{nRT}{P} = \dfrac{1 \times 0.082 \times 473}{1} = 38.79\ \mathrm{m^3}$

따라서 발생하는 이산화탄소의 부피는 약 38.79 $\mathrm{m^3}$ 이다. 기체상수를 0.08205 로 잡으면 38.81 $\mathrm{m^3}$ 가 나오는데, 상수를 몇 자리까지 쓰느냐에 따른 반올림 차이일 뿐 채점상 같은 답으로 본다.

참고로 제2종 분말은 담회색(담자색)으로 착색하며 B·C급 화재에 적응한다.

① 특수인화물

② 제1석유류

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙의 운송기준은 위험물을 운송하게 하는 자에게 위험물안전카드를 위험물운송자가 휴대하도록 할 의무를 지운다. 다만 제4류 위험물은 전부가 아니라 특수인화물과 제1석유류만 대상이다.

제4류 이외의 유별은 품명을 가리지 않고 모두 안전카드 휴대 대상이라는 점과 대비해 외우면 된다. 제4류에서 이 둘만 골라낸 것은 인화점이 특히 낮아 사고가 나면 즉시 착화·확산될 위험이 크기 때문이다.

위험물안전카드에는 위험물의 품명·화학명, 위험성, 사고 시 응급조치 요령 등이 적혀 있어 사고 현장에서 초기 대응 자료가 된다. 함께 기억할 운송기준으로, 알킬알루미늄·알킬리튬 및 이를 함유하는 위험물은 운송책임자의 감독 또는 지원을 받아 운송해야 한다.

① 특수인화물

② 100

③ 20

④ 40

[해설]

정의에 든 품명은 특수인화물이다. 제4류 위험물 가운데 가장 낮은 온도에서 불이 붙는 품명으로, 지정수량은 50 L, 위험등급은 Ⅰ이다.

정의는 두 갈래이며 둘 중 하나만 만족해도 특수인화물이 된다.

① 1기압에서 발화점이 100 ℃ 이하인 것 — 이황화탄소(발화점 약 100 ℃)가 여기에 걸린다.

② 1기압에서 인화점이 영하 20 ℃ 이하이면서 비점이 40 ℃ 이하인 것 — 다이에틸에터(인화점 약 -45 ℃, 비점 약 34.6 ℃)가 대표적이다.

두 번째 갈래는 인화점과 비점을 모두 만족해야 하므로, 인화점만 낮고 비점이 높은 물질은 특수인화물이 아니다. 이 밖에 아세트알데하이드·산화프로필렌도 특수인화물에 속한다.

끓는점이 낮아 증기가 쉽게 나오므로 저장할 때 불활성 기체를 봉입하고, 이황화탄소는 증기가 새어 나오지 못하도록 물속에 넣어 저장한다.

교재에 따라 빈칸을 「인화점이 ( ) ℃ 이하」로 두고 답을 -20으로 싣기도 하는데, 부호를 발문에 미리 넣었느냐의 차이일 뿐 기준값은 인화점 영하 20 ℃ 이하로 같다.

(1) 산화프로필렌

(2) $CH_3CHOCH_2$

[해설]

제시된 물성은 산화프로필렌의 것이다. 특수인화물에 속하며 지정수량은 50 L 이다.

산화프로필렌은 탄소 2개와 산소 1개가 삼각형을 이루는 에폭시 고리를 가진 화합물이라, 시성식을 $CH_3CHOCH_2$ 로도 $CH_3CHCH_2O$ 로도 쓴다. 표기가 달라 보여도 가리키는 물질은 하나이며, 분자식은 $C_3H_6O$ 다. 분자량을 검산하면 $12 \times 3 + 1 \times 6 + 16 = 58$ 로 발문의 조건과 맞는다.

고리가 불안정해 열·산·염기에 의해 쉽게 열리며 중합할 때 큰 열을 낸다. 또 은·수은·구리·마그네슘과 닿으면 폭발성 아세틸라이드를 만들 수 있어 이들 금속으로 만든 설비를 쓰지 않는다. 그래서 저장 용기의 윗부분에는 질소 등 불활성 기체를 봉입해 공기와의 접촉을 끊는다.

비점은 약 34 ℃ 다(자료나 교재에 따라 35 ℃ 로 반올림해 싣기도 한다).

70 % 이상

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙은 제조소에서 정전기가 생길 우려가 있는 설비에 대해 다음 가운데 하나의 방법으로 정전기를 유효하게 제거하는 설비를 갖추도록 하고 있다.

① 접지에 의한 방법

② 공기 중의 상대습도를 70 % 이상으로 하는 방법

③ 공기를 이온화하는 방법

습도를 올리면 물체 표면에 아주 얇은 수막이 생겨 쌓인 전하가 흘러 나가므로 방전이 일어나지 않는다. 반대로 건조한 겨울철에는 전하가 그대로 축적되어 불꽃방전으로 이어지기 쉽다. 유속을 낮추거나 제전기를 쓰는 것도 실무에서 쓰는 보조 수단이지만, 법령이 정한 방법은 위의 세 가지다.

(1) 벤젠 고리의 1번 탄소에 $-CH_3$, 2·4·6번 탄소에 $-NO_2$ 가 붙은 구조 — $C_6H_2(NO_2)_3CH_3$

(2) 벤젠 고리의 1번 탄소에 $-OH$, 2·4·6번 탄소에 $-NO_2$ 가 붙은 구조 — $C_6H_2(NO_2)_3OH$

[해설]

두 물질 모두 벤젠 고리에 나이트로기($-NO_2$)가 2·4·6번 자리에 세 개 붙은 나이트로화합물이다. 1번 자리에 무엇이 붙느냐가 둘을 가르는데, 메틸기($-CH_3$)면 트라이나이트로톨루엔, 하이드록시기($-OH$)면 트라이나이트로페놀이다.

제법도 같은 원리다. 톨루엔 또는 페놀을 진한 질산과 진한 황산의 혼산으로 나이트로화하면 각각 TNT 와 피크르산을 얻는다.

분자식과 분자량은 TNT 가 $C_7H_5N_3O_6$(227), 피크르산이 $C_6H_3N_3O_7$(229)이다. 분해할 때는 다량의 기체를 순간적으로 내놓아 폭발한다.

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

$2C_6H_2OH(NO_2)_3 \rightarrow 4CO_2 + 6CO + 2C + 3N_2 + 3H_2$

피크르산은 산성을 띠어 금속과 반응하면 충격에 아주 예민한 금속염을 만들므로 철·구리·납 용기를 쓰지 않으며, 건조하면 위험해져 물에 적신 상태로 저장한다.

(1) $4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

(2) $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2$

(3) 금속분

[해설]

(1) 알루미늄이 산소와 결합하면 흰색 고체인 산화알루미늄이 되며, 이것이 연기처럼 보인다.

$4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

(2) 알루미늄은 산과 염기 모두와 반응하는 양쪽성 금속이다. 염산과는 다음과 같이 반응해 수소를 낸다.

$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2$

수산화나트륨 수용액과도 $2Al + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow 2NaAlO_2 + 3H_2$ 로 반응해 역시 수소를 낸다.

(3) 알루미늄분은 제2류 가연성 고체 중 금속분이며 지정수량은 500 kg 이다. 여기서 금속분이란 알칼리금속·알칼리토류금속·철·마그네슘 외의 금속 분말로서, 150 마이크로미터의 체를 통과하는 것이 50 중량퍼센트 이상인 것을 말한다.

분말이라 표면적이 넓어 점화되기 쉽고, 물과도 반응해 수소를 내므로 주수소화를 하지 않고 마른모래 등으로 질식소화한다.

5 m 이상

[해설]

위험물제조소의 보유공지는 취급하는 위험물의 지정수량 배수에 따라 갈린다.

그러므로 먼저 지정수량 배수의 합을 구한다. 제5류 위험물의 지정수량은 제1종이 10 kg, 제2종이 100 kg 이다.

$\dfrac{900}{100} + \dfrac{300}{100} + \dfrac{100}{10} = 9 + 3 + 10 = 22$

배수의 합이 22배로 10배를 넘으므로 보유공지는 5 m 이상이어야 한다.

제5류 위험물의 지정수량은 법령이 개정되면서 품명별 값이 아니라 제1종 10 kg·제2종 100 kg 으로 나뉘게 되었고, 종의 구분은 위험물안전관리에 관한 세부기준이 정한 시험 결과에 따른다. 그래서 발문의 표에 종을 함께 적었다. 개정 전 품명별 기준(유기과산화물·질산에스터류 10 kg, 하이드록실아민 100 kg)으로 계산하면 $9 + 30 + 10 = 49$ 배가 되는데, 어느 기준으로 잡아도 10배를 크게 넘으므로 답은 5 m 이상으로 같다.

참고로 보유공지는 제조소 주위에 비워 두는 공간으로, 화재가 이웃 시설로 번지는 것을 막고 소화·피난 활동에 필요한 자리를 확보하기 위한 것이다.

4개

[해설]

이동저장탱크의 내부에는 4,000 L 이하마다 두께 3.2 mm 이상의 강철판(또는 이와 같은 수준 이상의 강도·내열성·내식성을 가진 금속성 판)으로 칸막이를 설치해야 한다.

즉 용량을 4,000 L 이하로 잘게 나누는 것이므로, 나뉜 방의 수는 $\dfrac{20{,}000}{4{,}000} = 5$ 개다. 방과 방 사이를 막는 칸막이는 방의 수보다 하나 적으므로 다음과 같다.

$N = \dfrac{20{,}000}{4{,}000} - 1 = 5 - 1 = 4$

따라서 칸막이는 4개가 필요하다.

탱크를 잘게 나누는 이유는 운행 중 액체가 한쪽으로 쏠려 생기는 출렁임(슬로싱)을 줄이고, 사고가 나도 유출량을 한 구획분으로 제한하기 위해서다. 같은 취지로 칸막이로 나뉜 각 구획에는 맨홀과 안전장치를 두고, 두께 1.6 mm 이상의 방파판을 진행 방향과 평행하게 2개 이상 설치한다(구획 용량이 2,000 L 미만이면 방파판을 두지 않을 수 있다).

(1) 이산화질소(NO₂)

(2) $\mathrm{4HNO_3 \rightarrow 2H_2O + 4NO_2 + O_2}$

[해설]

질산($\mathrm{HNO_3}$)은 제6류 위험물(산화성 액체)로, 직사일광이나 열을 받으면 분해되어 물과 이산화질소, 산소를 낸다. 이산화질소는 적갈색의 유독성 기체이므로, 질산은 갈색 병에 담아 냉암소에 저장한다.

분해반응식은 $\mathrm{4HNO_3 \rightarrow 2H_2O + 4NO_2 + O_2}$ 이다.

계수비가 질산 4 : 이산화질소 4 : 산소 1 이므로, 산소가 1몰 나왔다면 질산 4몰이 분해되면서 이산화질소 4몰이 함께 발생한 것이다.