[위험물산업기사 실기] 3. 화학반응식 기출문제 정답·해설 페이지

[해설]

분자량 39, 불꽃반응 보라색인 제3류 위험물은 칼륨(K)이며, 산화되면 제1류 위험물인 과산화칼륨(K₂O₂)이 된다.

물과의 반응식은 $\mathrm{2K_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 4KOH + O_2\uparrow}$, 이산화탄소와의 반응식은 $\mathrm{2K_2O_2 + 2CO_2 \rightarrow 2K_2CO_3 + O_2\uparrow}$로, 두 반응 모두 산소(O₂)를 발생시켜 물이나 CO₂ 소화약제 사용을 금지하는 근거가 된다.

무기과산화물은 위험등급 I에 해당해 옥내저장소 저장창고 바닥면적이 1,000㎡ 이하로 제한된다.

[해설]

황린이 연소하면 $\mathrm{P_2O_5}$(오산화인)가, 황린이 강알칼리인 수산화칼륨 수용액과 반응하면 $\mathrm{PH_3}$(포스핀)이 발생한다.

인화칼슘도 물과 반응해 같은 포스핀(PH₃)을 생성하므로, 인(P)을 포함한 물질의 반응에서는 포스핀 생성 여부를 먼저 점검하는 것이 채점 포인트다.

아세트산 연소는 이산화탄소와 물만 생성하고, 과산화바륨과 물의 반응은 수산화바륨과 과산화수소를 만들 뿐 유독가스가 나오지 않으므로 두 경우는 해당없음이다.

[해설]

마그네슘은 덩어리보다 분말 상태일 때 위험성이 크므로, 2mm 체를 통과하지 못하는 덩어리나 지름 2mm 이상의 막대 모양은 제2류 위험물(가연성고체)에서 제외된다.

마그네슘의 지정수량은 500kg으로 제2류 중에서도 큰 편이어서 위험등급 III에 해당한다.

염산과는 $\mathrm{Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow}$, 물과는 $\mathrm{Mg + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + H_2\uparrow}$로 반응해 모두 가연성인 수소(H₂)를 발생시키므로 주수소화가 금지된다.

[해설]

트리에틸알루미늄은 알킬기(에틸기) 3개가 알루미늄에 결합된 제3류 위험물로, 메탄올과 반응하면 알콕시화합물과 에탄 기체를 생성한다.

메탄올과의 반응식은 $\mathrm{(C_2H_5)_3Al + 3CH_3OH \rightarrow Al(CH_3O)_3 + 3C_2H_6\uparrow}$로, 알킬기 3개가 모두 치환되므로 계수 3을 맞추는 것이 핵심이다.

생성된 에탄의 완전연소반응식은 $\mathrm{2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O}$로, 탄소·수소·산소 원자수를 맞추면 산소 계수가 7이 된다.

[해설]

아세트알데하이드가 산화되면 아세트산(CH₃COOH)이 되며, 이는 제4류 위험물 중 제2석유류에 해당한다.

완전연소반응식은 $\mathrm{CH_3COOH + 2O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O}$로, 탄소·수소·산소 원자수를 맞추면 반응물의 O₂ 계수가 2가 된다.

옥내저장소 바닥면적을 1,000㎡ 이하로 제한하는 대상은 제4류 중 특수인화물·제1석유류·알코올류 등이며, 제2석유류인 아세트산은 여기에 들지 않으므로 2,000㎡ 이하 기준이 적용된다.

[해설]

톨루엔을 진한황산 촉매 아래 질산 3분자로 니트로화시키면 TNT가 생성되는 반응이다.

반응물은 벤젠이 아니라 메틸기가 붙은 C6H5CH3(톨루엔)이며, 벤젠고리의 수소 3곳이 NO2기로 치환되어 C6H2CH3(NO2)3(TNT)이 만들어진다.

치환된 니트로기 수만큼 물 분자도 3H2O로 맞춰야 반응식이 균형을 이룬다는 점이 채점 포인트다.

[해설]

메탄올은 산화되면 폼알데하이드(HCHO)를 거쳐 의산(포름산, HCOOH)까지, 에탄올은 아세트알데하이드(CH3CHO)를 거쳐 아세트산(CH3COOH)까지 단계적으로 산화된다.

지정수량 비교에서는 아세트알데하이드가 특수인화물(지정수량 50L)로, 제2석유류인 의산(지정수량 2,000L)보다 훨씬 작다.

연소반응식은 $2\mathrm{CH_3CHO} + 5\mathrm{O_2} \rightarrow 4\mathrm{CO_2} + 4\mathrm{H_2O}$로 계수를 맞춰 완결한다.

[해설]

아세톤(CH3COCH3, 분자량 58)의 완전연소에는 산소 4몰이 필요하며, 이 비를 이용해 이론공기량과 CO2 부피를 몰수 계산으로 구한다.

완전연소반응식: $\mathrm{CH_3COCH_3} + 4\mathrm{O_2} \rightarrow 3\mathrm{CO_2} + 3\mathrm{H_2O}$

이론공기량: $n=\dfrac{200}{58}=3.448\ \mathrm{mol}$
$n_{O_2}=3.448\times4=13.79\ \mathrm{mol}$
$V_{공기}=\dfrac{13.79\times22.4}{0.21}=1471.27\ \mathrm{L}$

CO2 부피: $V_{CO_2}=3.448\times3\times22.4=231.73\ \mathrm{L}$. 산소 부피를 공기 중 산소비 0.21로 나눠 공기량을 구하는지가 채점 포인트다.

[해설]

칼륨(K, 제3류 금수성물질)은 물·이산화탄소·알코올과 반응할 때 서로 다른 생성기체를 낸다는 점이 핵심이다.

물, 알코올과는 각각 $2\mathrm{K}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{KOH}+\mathrm{H_2}$, $2\mathrm{K}+2\mathrm{C_2H_5OH}\rightarrow2\mathrm{C_2H_5OK}+\mathrm{H_2}$로 수소를 발생시킨다.

반면 이산화탄소와는 $4\mathrm{K}+3\mathrm{CO_2}\rightarrow2\mathrm{K_2CO_3}+\mathrm{C}$처럼 산소를 빼앗기며 탄소가 생성되므로, 칼륨·나트륨 화재에 이산화탄소 소화기를 쓸 수 없는 이유와 연결된다.

[해설]

오황화인, 마그네슘, 알루미늄 모두 산소와 결합해 산화물을 내는 연소반응이며 계수는 원자수 보존으로 맞춘다.

• 오황화인: P와 S가 각각 P2O5, SO2로 산화된다($2\mathrm{P_2S_5}+15\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{P_2O_5}+10\mathrm{SO_2}$).
• 마그네슘: $2\mathrm{Mg}+\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{MgO}$
• 알루미늄: $4\mathrm{Al}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{Al_2O_3}$

마그네슘·알루미늄 같은 금속분은 물이나 이산화탄소로 소화하면 오히려 위험해지는 금속화재(D급)이고, 오황화인은 물과 반응해 유독한 황화수소를 내므로 세 물질 모두 주수소화가 금물이라는 점을 함께 기억해두면 좋다.

[해설]

질산암모늄 800g이 분해되며 생기는 전체 기체 몰수를 구해 이상기체 상태방정식에 대입하는 문제다.

$n_{NH_4NO_3}=\dfrac{800}{80}=10\ \mathrm{mol}$
반응식 $2\mathrm{NH_4NO_3}\rightarrow2\mathrm{N_2}+\mathrm{O_2}+4\mathrm{H_2O}$에서 NH4NO3 2몰당 기체 7몰이 나오므로 $10\times\dfrac{7}{2}=35\ \mathrm{mol}$

$V=\dfrac{nRT}{P}=\dfrac{35\times0.082\times873}{1}=2505.51\ \mathrm{L}$. 온도를 절대온도(600+273=873K)로 환산해 대입하는지가 채점 포인트다.

[해설]

메탄올이 산화되어 폼알데하이드(HCHO)가 되는 반응이며, 반응 몰비를 이용해 생성 질량을 구한다.

$2\mathrm{CH_3OH}+\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{HCHO}+2\mathrm{H_2O}$에서 메탄올과 폼알데하이드의 몰비가 1:1이므로 메탄올 몰수만큼 그대로 폼알데하이드가 생성된다.

$n_{CH_3OH}=\dfrac{320}{32}=10\ \mathrm{mol}$
$m_{HCHO}=10\times30=300\ \mathrm{g}$. 폼알데하이드 분자량 30을 정확히 곱하는지가 관건이다.

[해설]

마그네슘 화재에 이산화탄소 소화약제를 쓰면 안 되는 이유는 마그네슘이 CO2의 산소를 빼앗으며 가연성인 탄소를 만들어 오히려 연소를 돕기 때문이다.

반응식은 $2\mathrm{Mg}+\mathrm{CO_2}\rightarrow2\mathrm{MgO}+\mathrm{C}$이며, 이때 생성되는 탄소(그을음)가 다시 가연물로 작용해 반응이 격렬해진다.

마그네슘·알루미늄 등 경금속 화재에는 CO2나 물이 아닌 건조사 등 금속화재용 소화를 써야 한다는 점과 함께 기억해두면 된다.

[해설]

제1종 분말소화약제(중탄산나트륨, NaHCO3)는 온도에 따라 분해 생성물이 달라지는 2단계 열분해 특성이 채점 포인트다.

270℃ 부근에서는 $2\mathrm{NaHCO_3}\rightarrow\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{CO_2}+\mathrm{H_2O}$로 탄산나트륨이 생성되고, 850℃ 이상 고온에서는 더 분해가 진행되어 $2\mathrm{NaHCO_3}\rightarrow\mathrm{Na_2O}+2\mathrm{CO_2}+\mathrm{H_2O}$처럼 산화나트륨과 CO2 2몰이 나온다.

이 분해로 나오는 CO2·수증기의 질식·냉각 효과가 분말소화약제의 소화 원리이므로 온도별 생성물 구분이 중요하다.

[해설]

트리메틸알루미늄과 트리에틸알루미늄은 모두 제3류 금수성물질로, 물과 만나면 알킬기 탄소수에 대응하는 가연성 탄화수소를 내며 격렬히 반응한다.

• 물과 반응: $(\mathrm{CH_3})_3\mathrm{Al}+3\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{Al(OH)_3}+3\mathrm{CH_4}$ — 메틸기가 메탄으로 떨어져 나온다.
• 완전연소: $2(\mathrm{CH_3})_3\mathrm{Al}+12\mathrm{O_2}\rightarrow\mathrm{Al_2O_3}+6\mathrm{CO_2}+9\mathrm{H_2O}$

트리에틸알루미늄도 같은 원리로 물과는 에탄(C2H6)을 내며($(\mathrm{C_2H_5})_3\mathrm{Al}+3\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{Al(OH)_3}+3\mathrm{C_2H_6}$), 완전연소 시 산소 계수는 원자수 보존으로 맞추면 $2(\mathrm{C_2H_5})_3\mathrm{Al}+21\mathrm{O_2}\rightarrow\mathrm{Al_2O_3}+12\mathrm{CO_2}+15\mathrm{H_2O}$가 된다.

[해설]

세 물질 모두 물과 반응해 수산화물을 내지만, 과산화칼륨(K2O2)은 다른 금속과 달리 수소가 아닌 산소(O2)를 발생시키는 점이 핵심이다.

$2\mathrm{K_2O_2}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow4\mathrm{KOH}+\mathrm{O_2}$는 과산화물 특유의 반응이며, 마그네슘과 나트륨은 각각 $\mathrm{Mg}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{Mg(OH)_2}+\mathrm{H_2}$, $2\mathrm{Na}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}$로 일반 활성금속처럼 수소를 낸다.

과산화물은 산소 발생, 일반 금속·수소화물은 수소 발생이라는 대비를 기준으로 생성기체를 구분하는 것이 채점 포인트다.

[해설]

적린과 염소산칼륨의 혼촉은 산화제(KClO3)가 산소를 내주며 적린을 급격히 산화시키는 혼촉발화 반응이다.

$6\mathrm{P}+5\mathrm{KClO_3}\rightarrow3\mathrm{P_2O_5}+5\mathrm{KCl}$로 완결되며, 이때 생성되는 오산화인(P2O5)의 흰 연기는 습기와 만나면 인산(H3PO4)으로 바뀐다.

산화제와 환원제(가연물)를 함께 두면 안 된다는 위험물 혼재·저장 원칙과 연결지어 이해하면 되는 문제다.

[해설]

과산화나트륨은 가열하면 완전분해되어 산화나트륨과 산소를 내며, 이때 발생하는 산소 부피는 몰비 계산으로 구한다.

$2\mathrm{Na_2O_2}\rightarrow2\mathrm{Na_2O}+\mathrm{O_2}$이며 Na2O2 분자량은 $2\times23+2\times16=78$이다.

$n_{O_2}=\dfrac{1000}{2\times78}=6.410\ \mathrm{mol}$
$V=6.410\times22.4=143.59\ \mathrm{L}$. 표준상태(22.4L/mol)를 적용하는지가 채점 포인트다.

[해설]

나트륨은 제3류 금수성물질로 물·산소와 반응해 각각 수산화나트륨, 산화나트륨을 만들며, 연소 시 노란색 불꽃을 낸다.

물과의 반응 $2\mathrm{Na}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}$과 연소반응 $4\mathrm{Na}+\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{Na_2O}$를 구분해서 써야 한다.

나트륨의 노란색 불꽃반응은 칼륨의 보라색 불꽃과 대비되는 지점으로 자주 함께 출제된다.

[해설]

세 물질 모두 제3류 금속수소화물로, 물과 반응하면 공통적으로 수소(H2)를 발생시킨다.

• 수소화알루미늄리튬: $\mathrm{LiAlH_4}+4\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{LiOH}+\mathrm{Al(OH)_3}+4\mathrm{H_2}$
• 수소화칼륨: $\mathrm{KH}+\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{KOH}+\mathrm{H_2}$
• 수소화칼슘: $\mathrm{CaH_2}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{Ca(OH)_2}+2\mathrm{H_2}$

금속수소화물은 물과 접촉 시 격렬히 수소를 내며 발화 위험이 있어 금수성 물질로 분류된다는 점이 핵심이다.

[해설]

알루미늄은 산소·염산·물과 모두 반응하며, 산·물과의 반응에서는 공통적으로 수소(H2)를 발생시킨다.

• 산화: $4\mathrm{Al}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{Al_2O_3}$
• 염산과 반응: $2\mathrm{Al}+6\mathrm{HCl}\rightarrow2\mathrm{AlCl_3}+3\mathrm{H_2}$
• 물과 반응: $2\mathrm{Al}+6\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{Al(OH)_3}+3\mathrm{H_2}$

알루미늄분은 물·산 어느 쪽과도 반응해 수소를 내는 금속으로, 분진 상태에서는 물기와의 접촉을 특히 피해야 한다.

[해설]

이황화탄소가 완전연소하면 이산화황이 생기며, 몰비를 이용해 발생 이산화황 부피를 구하는 문제다.

연소반응식 $\mathrm{CS_2}+3\mathrm{O_2}\rightarrow\mathrm{CO_2}+2\mathrm{SO_2}$에서 CS2 1몰당 SO2가 2몰 생성된다.

주어진 조건(800mmHg, 30℃)으로 구한 CS2 부피 31,058.43L에 계수비 2를 곱하면 $31058.43\times2=62116.86\ \mathrm{L}=62.12\ \mathrm{m^3}$가 된다.

압력을 atm으로 환산(800/760)하고 절대온도(303K)를 대입하는지가 채점 포인트다.

[해설]

오황화인은 물과 반응해 가연성·유독성 기체인 황화수소(H2S)를 내며, 이 황화수소는 다시 연소해 아황산가스를 만든다.

물과의 반응 $\mathrm{P_2S_5}+8\mathrm{H_2O}\rightarrow5\mathrm{H_2S}+2\mathrm{H_3PO_4}$에서 인은 인산으로, 황은 황화수소로 나뉘어 반응한다.

발생한 황화수소의 완전연소반응식은 $2\mathrm{H_2S}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{SO_2}+2\mathrm{H_2O}$로, 오황화인이 물과 만나면 유독·가연성 가스를 낸다는 위험성과 연결지어 이해해야 한다.

[해설]

에틸알코올은 완전연소 시 이산화탄소와 물을 내고, 칼륨과 반응하면 알콕사이드와 함께 수소를 발생시킨다.

완전연소반응식은 $\mathrm{C_2H_5OH}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{CO_2}+3\mathrm{H_2O}$이며, 칼륨과의 반응($2\mathrm{C_2H_5OH}+2\mathrm{K}\rightarrow2\mathrm{C_2H_5OK}+\mathrm{H_2}$)에서도 수소가 나온다.

에틸알코올의 구조이성질체인 디메틸에테르(CH3OCH3)는 분자식(C2H6O)은 같지만 작용기(에터 결합) 구조가 달라 함께 자주 출제된다.

[해설]

인화칼슘(Ca3P2)은 제3류 위험물(금속의 인화물)로, 지정수량은 300kg이다.

물과 반응하면 $\mathrm{Ca_3P_2}+6\mathrm{H_2O}\rightarrow3\mathrm{Ca(OH)_2}+2\mathrm{PH_3}$가 되어 맹독성·가연성 기체인 포스핀(PH3)이 발생한다.

포스핀은 가연성·맹독성 가스이므로 인화칼슘은 물기·습기와의 접촉을 철저히 차단해야 하는 금수성 물질이다.

[해설]

ANFO 폭약의 주성분인 질산암모늄(NH4NO3)은 제1류 위험물로, 가열되면 질소·산소·물로 분해된다.

분해반응식은 $2\mathrm{NH_4NO_3}\rightarrow2\mathrm{N_2}+\mathrm{O_2}+4\mathrm{H_2O}$로, 반응식 자체에서 산소(O2)가 나와 산소공급원 역할을 하기 때문에 경유 등 연료와 섞으면 폭약이 된다.

N, H, O 원자수를 각각 반응 전후로 대조해 계수를 맞추는 것이 채점 포인트다.

[해설]

알루미늄분은 제2류 위험물로 완전연소 시 산화알루미늄을 내고, 염산과 반응하면 수소 가스를 발생시킨다.

완전연소반응식은 $4\mathrm{Al}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{Al_2O_3}$이며, 위험등급은 철분·마그네슘과 같은 Ⅲ등급이다.

제2류 위험물 중 황화인·적린·황은 Ⅱ등급, 철분·금속분·마그네슘은 Ⅲ등급으로 구분되는 규정을 함께 기억해야 한다.

[해설]

규조토에 흡수시켜 다이너마이트를 만드는 물질은 니트로글리세린으로, 제5류 위험물 중 질산에스터류에 속하며 지정수량은 10kg이다.

화학식(구조식)은 C3H5(ONO2)3이며, 분자 내에 산소를 함유해 외부 산소 없이도 분해·연소하는 자기연소성 물질이다.

완전분해반응식은 $4\mathrm{C_3H_5(ONO_2)_3}\rightarrow12\mathrm{CO_2}+10\mathrm{H_2O}+6\mathrm{N_2}+\mathrm{O_2}$로, C·H·N·O 각 원자수를 대조해 계수를 맞춘다.

[해설]

아세트알데하이드(CH3CHO)는 에틸렌을 염화팔라듐(PdCl2) 촉매로 산화시켜 얻는 바커(Wacker) 반응의 생성물이다.

반응식은 $\mathrm{C_2H_4}+\mathrm{PdCl_2}+\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{CH_3CHO}+\mathrm{Pd}+2\mathrm{HCl}$이며, 특수인화물답게 저장온도 규정이 엄격하다.

압력탱크 외의 탱크에서는 15℃ 이하, 압력탱크에서는 40℃ 이하로 저장온도를 유지해야 한다는 수치가 채점 포인트다.

[해설]

아세트산은 과산화나트륨과 반응해 아세트산나트륨과 과산화수소를 내고, 완전연소하면 이산화탄소와 물을 낸다.

$2\mathrm{CH_3COOH}+\mathrm{Na_2O_2}\rightarrow2\mathrm{CH_3COONa}+\mathrm{H_2O_2}$는 과산화물이 산과 반응해 과산화수소(H2O2)를 내는 전형적인 반응이다.

완전연소반응식 $\mathrm{CH_3COOH}+2\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{CO_2}+2\mathrm{H_2O}$는 탄소·수소·산소 원자수를 각각 맞춰 완결한다.

[해설]

물과 만나 가연성 기체를 내는 물질은 활성 금속인 칼슘·나트륨과 인화물인 인화칼슘이고, 나머지 두 물질은 물과 반응해 가연성 가스를 내지 않아 제외된다.

칼슘·나트륨은 물과 반응해 수산화물과 함께 수소(H₂)를 내고, 인화칼슘은 맹독성·가연성 기체인 포스핀(PH₃)을 발생시킨다. 인화칼슘은 Ca₃P₂ 1분자당 P가 2개이므로 PH₃ 계수가 2가 된다.

황린은 자연발화성이 강해 오히려 물속에 저장하는 물질이라 상온의 물과는 반응하지 않고, 과염소산은 강산화성 물질일 뿐 물과 반응해 가연성 가스를 내는 성질이 없다.

[해설]

황린(P₄)은 공기 중에서 자연발화해 오산화인(P₂O₅)을 생성하는 완전연소 반응을 한다.

인의 최종 산화물은 P₂O₅이며, 반응 전후 P 원자 4개, O 원자 10개가 보존되도록 계수를 맞추면 생성물 계수가 2로 정해진다.

황린이 위험물로 지정된 이유도 이처럼 상온 공기 중 산소와 쉽게 반응해 자연발화하는 성질 때문이다.

[해설]

황린 20 kg을 표준상태에서 완전연소시키는 데 필요한 공기 부피는 연소반응식의 몰비로 산소량을 구한 뒤 공기 중 산소 비율 21%로 환산해 얻는다.

$n_{P_4}=\dfrac{20000\,\mathrm{g}}{124\,\mathrm{g/mol}}$
$V_{O_2}=n_{P_4}\times5\times22.4\,\mathrm{L}=18064.51\,\mathrm{L}$
$V_{air}=\dfrac{18064.51}{0.21}=86021.49\,\mathrm{L}=86.02\,\mathrm{m^3}$

연소반응식의 몰비(P₄ 1 : O₂ 5)를 놓치면 산소량 계산부터 어긋나므로 이 비율 적용 여부가 채점 포인트다.

[해설]

과산화나트륨(Na₂O₂)은 열분해 시 산화나트륨과 산소로 나뉘고, 이산화탄소와 만나면 탄산나트륨과 산소를 내놓는 산소공급원 역할을 한다.

열분해 반응은 2Na₂O₂ → 2Na₂O + O₂로 진행되며, 이는 과산화나트륨이 자체 산소를 방출하는 산화성 고체(제1류 위험물)의 전형적 특성이다.

이산화탄소 흡수반응(2Na₂O₂+2CO₂→2Na₂CO₃+O₂)은 잠수함·방독면 등의 산소발생제 원리로도 쓰이며, 반응 후에도 산소가 남는다는 점이 채점 포인트다.

[해설]

ABC 분말소화기의 주성분인 제1인산암모늄(NH₄H₂PO₄)은 열분해되면서 올소인산의 피막을 형성해 질식·냉각 소화 효과를 낸다.

분해 시 암모니아(NH₃)가 기체로 빠져나가고 남은 올소인산(H₃PO₄)이 표면을 덮어 재발화를 막는 방진 효과를 준다.

이후 더 높은 온도에서는 인산이 다시 메타인산(HPO₃)으로 탈수되지만, 이 문항은 그 전 단계인 올소인산 생성 반응을 묻는다는 점에 유의한다.

[해설]

두 물질 모두 반응식의 몰비만 그대로 적용하면 답이 나오는 문제로, 제시된 온도·압력 조건은 기체 부피가 아니라 몰수를 묻는 이 문항에는 쓰이지 않는다.

과산화나트륨은 2Na₂O₂ : O₂ = 2 : 1의 비율로 반응하므로 1몰이 반응하면 산소는 그 절반인 0.5몰만 생긴다.

수소화칼슘은 CaH₂ : H₂ = 1 : 2의 비율이라 1몰이 반응하면 수소가 그 두 배로 생기며, 반응식의 계수비를 몰수비로 그대로 옮기는 것이 핵심이다.

[해설]

다섯 물질 중 물과 반응해 기체를 내는 것은 인화칼슘·과산화칼륨·금속리튬뿐이고, 질산암모늄과 염소산칼륨은 물에 녹기만 할 뿐 기체를 발생시키지 않는다.

인화칼슘은 맹독성 가연성 기체인 포스핀(PH₃)을, 과산화칼륨 같은 무기과산화물은 산소(O₂)를, 리튬 같은 알칼리금속은 수소(H₂)를 낸다.

질산암모늄과 염소산칼륨은 산화성 고체(제1류)이지만 물과는 단순히 용해될 뿐 기체를 내는 반응을 하지 않으므로 두 곳 모두 해당없음이 된다.

[해설]

알루미늄은 반응성이 큰 금속이라 산소와는 연소해 산화알루미늄(Al₂O₃)을 만들고, 물·염산과는 각각 수산화알루미늄·염화알루미늄을 만들면서 수소(H₂)를 내놓는다.

계수는 모두 좌우변의 원자수 보존으로 정한다. 연소는 Al 4개가 Al₂O₃ 2개가 되므로 산소 3몰이 필요하고, 물·염산 반응은 Al 2개에 −OH 또는 −Cl이 3개씩 붙으므로 물 6분자·염화수소 6분자가 소모되며 수소 3몰이 나온다.

연소에서는 수소가 생기지 않고 물·염산 반응에서만 수소 기체가 발생한다는 차이가 세 반응식을 구분하는 채점 포인트다.

[해설]

트라이메틸알루미늄과 트라이에틸알루미늄은 모두 물과 만나면 수산화알루미늄(Al(OH)₃)과 함께 각각 메탄, 에탄이라는 가연성 기체를 폭발적으로 내는 자연발화성 물질(제3류)이다.

물 3몰과 반응하는 이유는 알킬기 3개가 각각 수산화기 하나씩과 자리를 바꾸기 때문이며, 이때 떨어져 나온 알킬기 수만큼 메탄·에탄 분자가 만들어진다.

완전연소 반응식은 원자수 보존으로 계수를 정하는데, 알루미늄은 Al₂O₃로, 알킬기의 탄소·수소는 전부 CO₂와 H₂O로 산화되므로 왼쪽 산소 계수는 오른쪽에 필요한 산소 원자 총합과 같아야 한다.

트라이메틸알루미늄과 트라이에틸알루미늄은 알킬기의 탄소수가 달라 생성 기체와 완전연소에 필요한 산소량이 서로 다르다는 점이 채점 포인트다.

[해설]

제1종(탄산수소나트륨)과 제2종(탄산수소칼륨) 분말소화약제는 열을 받으면 각각의 탄산염과 이산화탄소·수증기로 분해되며, 이때 나온 이산화탄소와 수증기가 질식·냉각 소화 효과를 낸다.

두 반응 모두 탄산수소염 2몰이 분해되며, 금속 원자수를 맞추면 탄산염의 계수가 1로 정해진다.

제1종은 나트륨, 제2종은 칼륨이 짝을 이루는 탄산염이 생성된다는 점이 두 반응식의 유일한 차이다.

[해설]

이 반응식은 질산암모늄이 열분해되어 질소·수증기·산소로 분해되는 과정으로, 좌우변의 N·H·O 원자수를 맞추면 화학식이 NH₄NO₃임을 알 수 있다.

질산암모늄이 물에 녹는 반응은 열을 흡수하는 흡열반응이라 냉각팩 등에 이용되는데, 이는 이 열분해반응과는 별개의 성질임에 유의해야 한다.

제조소 게시판의 주의사항은 제1류 위험물 중 알칼리금속의 과산화물에만 물기엄금이 붙고 그 밖의 것은 표시 대상이 아니므로, 질산염류인 질산암모늄은 표시할 주의사항이 없다.

[해설]

과산화나트륨이 물과 반응해 내는 기체는 산소(O₂)이며, 몰수를 구한 뒤 350℃(623 K) 조건을 이상기체상태방정식에 대입해 부피로 환산한다.

$n_{O_2}=\dfrac{1000\,\mathrm{g}}{78\,\mathrm{g/mol}}\times\dfrac{1}{2}\approx6.41\,\mathrm{mol}$
$V=n_{O_2}\times22.4\,\mathrm{L}\times\dfrac{623}{273}\approx327.68\,\mathrm{L}$

Na₂O₂와 O₂의 몰비가 2:1이라는 점과, 표준상태가 아닌 350℃ 조건을 온도 보정해야 한다는 점이 채점의 핵심이다.

[해설]

트라이에틸알루미늄은 물과 접촉하면 격렬하게 반응해 수산화알루미늄과 함께 가연성 기체인 에탄(C₂H₆)을 폭발적으로 방출하는 제3류 자연발화성 물질이다.

에틸기 3개가 각각 물 분자의 수산기와 자리를 바꾸며 떨어져 나오기 때문에 에틸기 수만큼, 즉 에탄 3분자가 생성된다.

공기 중 수분과도 반응하므로 화재 시 물을 사용할 수 없고 마른모래나 팽창질석 등으로 소화해야 한다는 점과 함께 기억해두면 좋다.

[해설]

세 물질은 각각 열을 받으면 자체 산소를 내놓는 제1류 위험물(산화성 고체)의 공통 특성을 보여준다.

과산화나트륨은 산화나트륨과 산소로, 다이크로뮴산칼륨은 크로뮴산칼륨·산화크로뮴(Cr₂O₃)과 산소로, 질산암모늄은 질소·수증기와 산소로 각각 분해된다.

어느 경우든 금속·비금속 원자수를 먼저 맞춘 뒤 산소 원자수를 맞추는 방식으로 계수를 정하며, 이렇게 방출된 산소가 다른 가연물의 연소를 돕는 것이 제1류 위험물의 위험성이다.

[해설]

햇빛에 분해되어 적갈색 증기(NO₂)를 내는 부식성 발연성 액체는 질산(HNO₃)이며, 제6류 위험물의 대표적 성질을 보여준다.

분해반응은 질산 4분자가 이산화질소·물·산소로 나뉘는 것으로, 좌우변의 N·H·O 원자수를 맞추면 NO₂ 4개와 H₂O 2개로 계수가 정해진다.

제6류 위험물을 저장하는 옥내저장소는 위험물안전관리법령상 안전거리 규제 대상에서 제외되므로 저장량과 무관하게 해당없음이 된다.

[해설]

벽·바닥 두께 0.2 m 이상의 철근콘크리트 수조에 저장하는 위험물은 이황화탄소(CS₂)로, 물보다 무겁고 물에 녹지 않는 성질을 이용해 물속에 저장함으로써 가연성 증기 발생을 억제한다.

연소하면 탄소는 이산화탄소 1분자로, 황 2개는 이산화황 2분자로 산화되며, 이렇게 필요한 산소 원자 6개가 O₂ 3몰과 맞아떨어진다.

이미 물속에 잠겨 저장되는 방식이므로 누출 시 확산을 막는 방유제는 별도로 설치할 필요가 없다.

[해설]

세 물질은 모두 가연성 고체(제2류 위험물)로, 연소 시 각 성분 원소가 산소와 결합해 산화물을 생성한다.

오황화인은 인과 황이 각각 오산화인·이산화황으로, 마그네슘과 알루미늄은 각각 산화마그네슘·산화알루미늄으로 산화되며, 계수는 좌우변의 P·S·Mg·Al·O 원자수를 맞추어 정해진다.

마그네슘·알루미늄 같은 금속분은 물이나 이산화탄소와도 반응해 수소·일산화탄소를 낼 수 있어 물·이산화탄소계 소화약제를 쓰면 안 된다는 점과 함께 기억해두면 좋다.

[해설]

보기 중 무기과산화물은 과산화바륨(BaO₂) 하나뿐이며, 나머지는 과망가니즈산염·아이오딘산염·질산염으로 산소를 함유하지만 과산화물 결합(-O-O-)을 갖지 않는다.

과산화바륨은 염산과 반응하면 염화바륨과 함께 과산화수소(H₂O₂)를 생성하는데, 이는 무기과산화물이 산과 만나면 과산화수소를 내놓는 공통 반응이다.

반면 무기과산화물은 이미 산소가 최대로 결합된 상태라 산소(O₂)와는 추가로 반응하지 않으므로 해당없음이 된다.

[해설]

지정수량 300 kg, 분자량 64이며 질소와 고온에서 반응해 석회질소(CaCN₂)를 만드는 제3류 위험물은 탄화칼슘(CaC₂)이다.

물과 반응하면 수산화칼슘과 함께 가연성 기체인 아세틸렌(C₂H₂)이 발생하는데, 이는 탄화칼슘을 물과 접촉시키지 않도록 관리해야 하는 이유가 된다.

생성된 아세틸렌이 완전연소할 때는 탄소·수소가 각각 이산화탄소·물로 산화되며, C₂H₂ 2분자 기준으로 CO₂ 4개·H₂O 2개가 나오므로 필요한 산소는 5몰이 된다.

[해설]

세 물질은 모두 가연성 고체(제2류 위험물)이며, 완전연소하면 각 구성 원소가 산소와 결합한 산화물로 전환된다.

삼황화인·오황화인은 인·황이 각각 오산화인·이산화황으로, 알루미늄분은 산화알루미늄으로 산화되며, 계수는 좌우변 P·S·Al·O 원자수를 맞추어 정한다.

같은 인·황 화합물이라도 삼황화인(P₄S₃)과 오황화인(P₂S₅)은 분자당 P·S 비율이 달라 필요한 산소량과 생성물 계수가 서로 다르다는 점에 유의한다.

[해설]

보기 중 물과 반응해 산소를 내는 것은 무기과산화물인 과산화나트륨·과산화바륨뿐이며, 질산칼륨·과염소산칼륨·질산암모늄은 물에 단순히 녹을 뿐 산소를 발생시키지 않는다.

무기과산화물이 물과 만나면 수산화물과 함께 산소(O₂)를 내놓으며, 금속과 수산화기의 원자수를 맞추면 각각 NaOH 4개, Ba(OH)₂ 2개로 계수가 정해진다.

이 성질 때문에 무기과산화물은 주수소화가 금지되며, 특히 알칼리금속의 과산화물은 운반용기와 게시판에 물기엄금을 표시해야 한다.

[해설]

탄화알루미늄(Al₄C₃)은 물과 격렬히 반응해 수산화알루미늄과 함께 가연성 기체인 메탄(CH₄)을 발생시키는 제3류 위험물이다.

반응식의 계수는 좌변 Al 4개·C 3개를 기준으로 우변을 Al(OH)₃ 4개, CH₄ 3개로 맞추고, 이어서 소모되는 물 12분자를 검산하는 방식으로 정해진다.

이렇게 생성된 메탄이 완전연소할 때는 탄소·수소가 각각 이산화탄소 1분자·물 2분자로 산화되므로 필요한 산소는 2몰이 된다.

[해설]

염소산칼륨은 가열하면 완전분해되어 염화칼륨과 산소를 내는 제1류 위험물로, 산소 발생량은 몰비를 이용해 표준상태 부피로 계산한다.

$n_{KClO_3}=\dfrac{50000\,\mathrm{g}}{122.55\,\mathrm{g/mol}}$
$V_{O_2}=n_{KClO_3}\times\dfrac{3}{2}\times22.4\,\mathrm{L}\approx13{,}708.7\,\mathrm{L}\approx13.71\,\mathrm{m^3}$

2KClO₃ : 3O₂ = 2 : 3의 몰비를 정확히 적용하는 것이 계산의 핵심이며, 표준상태이므로 몰당 22.4 L를 곱한 뒤 1,000으로 나누어 m³로 환산한다.

[해설]

하이드라진과 격렬히 반응해 폭발하는 이 물질은 과산화수소(H₂O₂)이며, 제6류 위험물로 분류되려면 일정 농도 이상이어야 한다는 조건이 붙는다.

위험물안전관리법령상 과산화수소는 농도 36 wt% 이상일 때만 위험물로 취급되며, 그 이하 농도는 규제 대상이 아니다.

하이드라진과의 반응에서는 과산화수소의 산소가 하이드라진을 산화시켜 물 4분자와 질소를 생성하며, 이 반응이 로켓 추진제 등에서 큰 발열·폭발을 일으키는 원리다.

[해설]

탄화알루미늄이 물과 반응해 내는 기체는 메탄이며, 완전연소하면 탄소는 이산화탄소로, 수소는 물 2분자로 산화되어 산소 2몰이 소모된다.

위험도는 H = (연소상한 − 연소하한) / 연소하한으로 구하며, 메탄의 연소범위 5~15%를 대입하면 값이 정해진다.

$H=\dfrac{15-5}{5}=2$

위험도는 값이 클수록 연소범위가 넓어 폭발 위험이 크다는 뜻으로, 계산 시 연소하한을 분모에 두는 공식을 정확히 적용하는 것이 채점 포인트다.

[해설]

세 규정 모두 제3류 위험물의 자연발화성·금수성 특성에 따라 개별적으로 정해진 취급 기준이다.

①은 알킬리튬인 부틸리튬을 이동저장탱크에서 꺼낼 때 공기 유입을 막기 위해 불활성기체를 봉입하는 규정으로, 칼륨·나트륨·알킬알루미늄·알킬리튬 등에 적용된다.

②의 바닥면적 1,000㎡ 이하 규정은 옥내저장소에서 칼륨, 나트륨, 알킬알루미늄, 알킬리튬, 황린 등 위험성이 큰 품목에 한정해 적용되므로 부틸리튬·황린·나트륨이 모두 해당하고, 인화알루미늄은 여기에 들어가지 않는다.

③ 나트륨은 물과 만나면 $\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2}$로 반응하여 수소를 발생시키며 이 반응열로 자연발화할 위험이 있다.

[해설]

제조소의 보유공지는 옥외저장소처럼 여러 단계로 나뉘지 않고, 취급하는 위험물의 최대수량이 지정수량 10배 이하면 3m 이상, 10배 초과면 5m 이상인 두 단계뿐이다.

아세톤은 제1석유류 수용성으로 지정수량이 400L이므로
$\dfrac{400}{400}=1$배가 되어 10배 이하 → 3m다.

나머지는 지정수량 배수가
$\dfrac{100000}{400}=250,\quad \dfrac{15000}{200}=75,\quad \dfrac{8000}{400}=20,\quad \dfrac{15000}{1000}=15$
배(시안화수소·톨루엔·메탄올·클로로벤젠 순)로 모두 10배를 넘으므로 일괄 5m다.

배수가 250배든 15배든 제조소에서는 결과가 같다는 점이 이 문제의 함정이다.

[해설]

알루미늄이 물과 반응하면 수산화알루미늄과 수소가 발생하며, 이 수소는 연소범위가 넓어 위험도가 매우 크다.

물과의 반응식은 $\mathrm{2Al + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 + 3H_2}$로 계수를 맞춘다.

발생한 수소의 연소반응식은 $\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}$이다.

위험도는 공식 $H=\dfrac{U-L}{L}$에 상한 75%, 하한 4%를 대입해
$H=\dfrac{75-4}{4}=17.75$로 구한다.

[해설]

소화난이도등급 Ⅰ은 규모나 위험성이 커 대형·고정식 소화설비가 요구되는 시설로, 연면적·처마높이 등 정량 기준으로 판정한다.

제조소는 연면적 1,000㎡ 이상이면 해당하므로 ②가 포함되고, 옥내저장소는 처마높이 6m 이상인 단층건물이면 해당하므로 ③이 포함된다.

이송취급소는 규모와 무관하게 모든 대상이 소화난이도등급 Ⅰ로 분류되어 ⑥도 해당한다.

지하탱크저장소·간이탱크저장소는 등급 Ⅲ, 제2종 판매취급소는 등급 Ⅱ, 이동탱크저장소는 자동차용소화기라는 별도 기준이 적용되어 제외된다.

[해설]

과산화나트륨은 산과 반응하면 과산화수소(제6류 위험물)를 생성하는 유일한 보기이므로 먼저 골라야 한다.

과산화나트륨이 산과 만나면 $\mathrm{Na_2O_2 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O_2}$로 과산화수소가 만들어지는데, 이 성질 때문에 물과의 반응식도 함께 묻는 문제다.

물과의 반응은 $\mathrm{2Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 4NaOH + O_2}$이며, 산소를 발생시키는 점이 채점 포인트다.

[해설]

염소산염류($\mathrm{NaClO_3}$, $\mathrm{KClO_3}$ 등)는 염산·황산 같은 강산과 반응하면 불안정한 이산화염소(ClO₂) 가스를 발생시키는데, 폭발성이 강한 유독가스이므로 산과의 접촉을 피해야 하는 대표적 이유가 된다.

과산화칼륨은 물과 반응하면 수산화칼륨과 산소를 발생시킬 뿐 유독가스는 생기지 않고, 질산칼륨·질산암모늄도 물에서는 단순 용해·이온화만 일어나므로 해당없음이 된다.

따라서 ①②의 염소산염류와 강산의 조합만 유독가스 발생 반응으로 구분해 답하는 것이 채점 포인트다.