2018년 위험물기능장실기(필답형) 제64회 기출문제 정답·해설 페이지

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

(2) $\mathrm{2Al + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 + 3H_2}$

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

(4) $\mathrm{2Al + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow 2NaAlO_2 + 3H_2}$

[해설]

알루미늄분은 제2류 위험물 중 금속분이며, 산과 알칼리 모두와 반응하는 양쪽성 금속이다.

• 산소 — 산화알루미늄(Al₂O₃)이 되며, 산화열이 커서 테르밋 반응에 이용된다.
• 물 — 수산화알루미늄과 수소를 내므로 알루미늄분 화재에는 물을 뿌리지 않고 마른모래 등으로 덮는다.
• 염산 — 염화알루미늄과 수소를 낸다.
• 수산화나트륨 수용액 — 물이 함께 소비되면서 알루민산나트륨과 수소를 낸다.

외우는 요령: 물·산·알칼리와의 반응은 모두 Al 2mol당 H₂ 3mol이라 계수 맞추는 방식이 같다.

① $H \le pD^2 + a$ 인 경우  $h = 2$

② $H \gt pD^2 + a$ 인 경우  $h = H - p(D^2 - d^2)$

[해설]

방화상 유효한 담은 제조소와 인근 건축물 사이의 보유공지·안전거리를 단축할 때 그 대신 세우는 벽이다. 인근 건축물이 낮으면 규정 높이(2m)만 세우면 되고, 인근 건축물이 높으면 그 높이에 맞춰 담을 더 올려야 한다는 것이 두 식의 뜻이다.

기호의 의미

· $H \le pD^2 + a$ — 인근 건축물이 충분히 낮거나 멀리 있는 경우다. 이때는 담을 높일 실익이 없으므로 $h = 2$, 곧 2m로 한다.

· $H \gt pD^2 + a$ — 인근 건축물이 높거나 가까운 경우다. 이때는 $h = H - p(D^2 - d^2)$ 로 산출한다.

계산 결과 $h$ 가 2m 미만으로 나오면 2m로 하고, 4m를 넘게 나오면 담의 높이를 4m로 하되 소화설비를 보강하도록 하고 있다.

㉮ ① 용량이 1,000만L 이상인 옥외저장탱크의 주위에 설치하는 방유제에는 해당 탱크마다 간막이 둑을 설치할 것
② 간막이 둑의 높이는 0.3m(방유제 안에 설치되는 옥외저장탱크의 용량의 합계가 2억L를 넘는 방유제에 있어서는 1m) 이상으로 하되, 방유제의 높이보다 0.2m 이상 낮게 할 것
③ 간막이 둑은 흙 또는 철근콘크리트로 할 것
④ 간막이 둑의 용량은 간막이 둑 안에 설치된 탱크 용량의 10% 이상일 것

㉯ 0.3m 이상

㉰ 150만L 이상

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 6의 방유제 기준에 따라, 용량 1,000만L 이상인 옥외저장탱크는 방유제 안에서 탱크마다 간막이 둑으로 따로 둘러싼다.

• 설치 대상 — 1,500만L 탱크는 1,000만L 이상이므로 이 탱크에 간막이 둑을 둔다.
• 높이 — 0.3m 이상(방유제 안 탱크 용량 합계가 2억L를 넘으면 1m 이상)으로 하되, 방유제보다 0.2m 이상 낮게 한다.
• 재질 — 흙 또는 철근콘크리트로 한다.
• 용량 — 간막이 둑 안에 있는 탱크 용량의 10% 이상으로 한다.

이 문항은 탱크 용량 합계가 2억L를 넘지 않으므로 최소높이는 0.3m이다.
최소 용량 = 1,500만L × 0.1 = 150만L 이상

혼동 주의: 방유제 자체 용량은 탱크가 2기 이상이면 가장 큰 탱크 용량의 110% 이상이다.

① 주유호스의 끝부분에 수동개폐장치를 부착한 주유노즐을 설치하고, 개방한 상태로 고정시키는 장치를 부착하지 않을 것

② 주유노즐은 선박의 연료탱크가 가득 찬 경우 자동적으로 정지시키는 구조일 것

③ 주유호스는 200kg중 이하의 하중에 의하여 깨져 분리되거나 이탈되어야 하고, 깨져 분리되거나 이탈된 부분으로부터의 위험물 누출을 방지할 수 있는 구조일 것

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 13의 선박주유취급소 특례기준이다. 세 항목은 모두 물 위에서 급유하다 생기는 사고를 막는 장치로 묶인다.

· 수동개폐장치 + 고정장치 금지 — 노즐 손잡이를 걸어 두고 자리를 비우는 일을 막는다. 손을 떼면 급유가 멈춰야 한다.

· 만유 시 자동정지 — 선박 연료탱크가 가득 차면 스스로 멈춰 넘침을 막는다.

· 200kg중 이하에서 파단·분리 — 급유 중 선박이 움직여 호스가 당겨지면 설비 전체가 끌려가는 대신 호스가 정해진 하중에서 먼저 끊어지도록 하고, 끊어진 자리에서 위험물이 새지 않게 한다.

① 조작부 주위의 장애물 유무

② 표지의 손상 유무 및 기재사항의 적부

③ 기능의 적부

[해설]

위험물안전관리에 관한 세부기준의 이산화탄소소화설비 일반점검표(별지 제21호)에 정해진 항목이다. 수동기동장치는 사람이 직접 눌러 소화약제를 방출시키는 장치이므로, 점검의 초점은 급할 때 바로 접근해 정확히 조작할 수 있는가에 맞춰져 있다.

· 조작부 주위의 장애물 유무 — 물건이 쌓여 조작부에 닿지 못하면 장치가 있어도 무용지물이다.

· 표지의 손상 유무 및 기재사항의 적부 — 어느 방호구역용인지, 어떻게 조작하는지가 표지로 읽혀야 한다.

· 기능의 적부 — 실제로 눌렀을 때 기동 신호가 나가는지를 본다.

㉮ 트라이나이트로톨루엔(TNT)

㉯ 나이트로화합물

㉰ 벤젠고리의 1번 탄소에 $\mathrm{-CH_3}$, 2·4·6번 탄소에 $\mathrm{-NO_2}$가 하나씩 붙은 구조

[해설]

주어진 화학식은 톨루엔의 벤젠고리 2·4·6 위치가 나이트로화된 것으로, 트라이나이트로톨루엔(TNT)이다. 분자량은 $12 \times 7 + 1 \times 5 + (14 + 32) \times 3 = 227$ 이다.

제5류 위험물의 품명 중 나이트로화합물에 해당한다. 나이트로기가 탄소에 직접 붙은 것이 나이트로화합물이고, 질산에스터류(나이트로글리세린 등)처럼 $\mathrm{-O-NO_2}$ 형태로 산소를 사이에 두고 붙은 것과 구별해야 한다.

성상은 담황색 결정으로 비중 1.0, 융점 80.1℃, 비점 240℃이다. 물에는 녹지 않고 아세톤·벤젠·에터에는 잘 녹으며, 직사광선(일광)을 받으면 다갈색으로 변한다. 충격 감도는 피크르산보다 약하지만 급격한 타격에는 폭발한다.

㉮ 20kPa 이상 24kPa 이하의 압력

㉯ 23.1kPa 이하의 압력

[해설]

이동탱크저장소의 안전장치는 탱크 내부 압력이 올라갔을 때 압력을 방출해 탱크를 지키는 장치다. 작동압력의 기준은 상용압력 20kPa을 경계로 두 갈래로 나뉜다.

· ㉮ 상용압력 18kPa은 20kPa 이하이므로 20kPa 이상 24kPa 이하가 그대로 답이 된다. 상용압력 값 자체는 계산에 쓰이지 않는다.

· ㉯ 상용압력 21kPa은 20kPa을 넘으므로 상용압력의 1.1배 이하다.

$21 \times 1.1 = \mathbf{23.1}\,\mathrm{kPa}$ 이하

㉮ $\mathrm{C_2H_6}$

㉯ $\mathrm{C_2H_5Cl}$

㉰ $\mathrm{C_2H_6}$

㉱ $\mathrm{C_2H_6}$

[해설]

트라이에틸알루미늄 $\mathrm{(C_2H_5)_3Al}$ 은 알루미늄에 에틸기 세 개가 붙은 알킬알루미늄으로, 알루미늄–탄소 결합이 물·산·알코올의 수소와 만나면 곧바로 끊어지며 에틸기가 에테인으로 떨어져 나온다. 즉 수소를 내놓을 상대라면 발생 가스는 모두 에테인이고, 염소처럼 수소가 없는 상대와 만날 때만 다른 가스가 나온다.

· 물 : $\mathrm{(C_2H_5)_3Al + 3H_2O \rightarrow Al(OH)_3 + 3C_2H_6 \uparrow}$

· 염소 : $\mathrm{(C_2H_5)_3Al + 3Cl_2 \rightarrow AlCl_3 + 3C_2H_5Cl \uparrow}$

· 메탄올 : $\mathrm{(C_2H_5)_3Al + 3CH_3OH \rightarrow Al(CH_3O)_3 + 3C_2H_6 \uparrow}$

· 염산 : $\mathrm{(C_2H_5)_3Al + HCl \rightarrow (C_2H_5)_2AlCl + C_2H_6 \uparrow}$

염소와의 반응만 염화에틸($\mathrm{C_2H_5Cl}$)이 나온다. 염화에틸도 인화성이 커 가연성 가스로 답한다.

물 1[m³](1,000[kg])의 몰수 : $n = \dfrac{1{,}000}{18} = 55.56\,\mathrm{kmol}$

수증기의 부피 : $V = \dfrac{nRT}{P} = \dfrac{55.56 \times 0.08205 \times 373}{1} \fallingdotseq 1{,}700\,\mathrm{m^3}$

부피비 : $\dfrac{1{,}700}{1} \fallingdotseq 1{,}700\,\text{배}$

[해설]

이상기체 상태방정식 PV = nRT에 1기압·100℃(373K)를 넣어 물 1m³가 기화한 수증기의 부피를 구한다.

물 1m³의 질량 = 1,000kg/m³ × 1m³ = 1,000kg
몰수 n = 1,000 ÷ 18 = 55.56kmol

V = nRT ÷ P = 55.56 × 0.08205 × 373 ÷ 1
V ≒ 1,700m³

부피비 = 1,700m³ ÷ 1m³ ≒ 1,700배

이렇게 크게 팽창한 수증기가 화염 주위의 공기를 밀어내므로, 물은 냉각효과에 질식효과까지 낸다.

㉮ 리프팅(선화) — 연료가스의 분출속도가 연소속도보다 빨라 불꽃이 버너 노즐에서 떨어져 뜬 채로 연소하는 현상. 원인은 가스 공급압력이 지나치게 높거나, 노즐 구멍이 막혀 좁아졌거나, 1차 공기가 과다해 연소속도가 느려진 경우

㉯ 역화 — 연료가스의 분출속도가 연소속도보다 느려 불꽃이 연소기 내부로 들어가 혼합관 속에서 연소하는 현상. 원인은 버너의 과열, 혼합가스량 부족, 가스압력 저하, 노즐 부식으로 분출 구멍이 커진 경우

[해설]

두 현상은 분출속도와 연소속도 중 어느 쪽이 빠른가로 갈린다. 분출속도가 더 빠르면 불꽃이 밀려나고(리프팅), 연소속도가 더 빠르면 불꽃이 버너 안으로 들어간다(역화).

• 리프팅(선화) — 불꽃이 노즐에서 떨어져 뜬 채로 타는 현상으로, 공급압력 과다·노즐 구멍 막힘(좁아짐)·1차 공기 과다로 분출은 빨라지고 연소는 느려질 때 생긴다.
• 역화 — 불꽃이 혼합관 속으로 거꾸로 들어가 타는 현상으로, 버너 과열·혼합가스량 부족·가스압력 저하·노즐 부식으로 구멍이 커져 분출이 느려질 때 생긴다.

외우는 요령: 두 현상의 원인은 서로 반대다. 압력이 높고 구멍이 좁으면 리프팅, 압력이 낮고 구멍이 커지면 역화다.

㉮ $\mathrm{Al_4C_3}$

㉯ $\mathrm{Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3 + 3CH_4}$

[해설]

제3류 위험물 가운데 물과 반응해 메테인을 내는 것은 탄화알루미늄(Al₄C₃)이다.

분자량 확인 = 27 × 4 + 12 × 3 = 144

물과 반응하면 알루미늄은 수산화알루미늄이 되고 탄소는 메테인이 된다.
Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄

혼동 주의: 탄화칼슘(CaC₂)은 물과 반응하면 메테인이 아니라 아세틸렌을 낸다.

㉮ 15

㉯ 950

㉰ 7

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙의 이송취급소 기준에서 규모가 커 더 엄격한 기준을 적용받는 것을 특정이송취급소라 한다. 두 요건 중 하나만 해당해도 된다.

• 길이 요건 — 배관 연장이 15km 초과이면 압력과 관계없이 해당한다.
• 압력+길이 요건 — 최대상용압력이 950kPa 이상이면서 배관 연장이 7km 이상이면 해당한다.

혼동 주의: 15km는 '초과', 950kPa·7km는 '이상'이다. 기점·종점이 여럿이면 임의의 기점부터 종점까지의 연장 중 가장 긴 것을 쓴다.

㉮ 50kg

㉯ $\mathrm{KClO_4 \rightarrow KCl + 2O_2}$

㉰ 약 362.09 L

[해설]

분자량이 138.5인 제1류 위험물은 과염소산칼륨(KClO₄)이다(39 + 35.5 + 16 × 4 = 138.5). 품명은 과염소산염류이고 지정수량은 50kg(위험등급 Ⅰ)이다.

약 400℃에서 분해가 시작되고 610℃에서 완전분해해 염화칼륨과 산소가 된다.
KClO₄ → KCl + 2O₂

KClO₄ 몰수 = 277 ÷ 138.5 = 2mol → 산소 4mol = 128g
V = wRT ÷ PM = 128 × 0.082 × (610 + 273.15) ÷ (0.8 × 32)
V ≒ 362.09L

혼동 주의: 조건이 0.8atm·610℃이므로 표준상태 값인 22.4L/mol을 쓰면 안 된다.

약 2.29 vol%

[해설]

혼합가스의 폭발하한계는 르샤틀리에 법칙으로 구한다.

100/L = V₁/L₁ + V₂/L₂ + V₃/L₃
100/L = 30/3.0 + 45/2.2 + 25/1.9 = 10 + 20.45 + 13.16 = 43.61

L = 100/43.61 ≒ 2.29 vol%

분모에는 각 성분의 폭발하한계를 넣으며, 하한계 값은 문헌마다 다르므로 발문에 주어진 값을 그대로 쓴다.

다이에틸에터 → 산화프로필렌 → 이황화탄소 → 아세톤 → 벤젠 → 톨루엔 → 에틸알코올

(-40℃ → -37℃ → -30℃ → -18.5℃ → -11℃ → 4℃ → 13℃)

[해설]

제4류 위험물의 인화점은 특수인화물 → 제1석유류 → 알코올류 순으로 높아지므로, 먼저 품명으로 큰 순서를 잡는다.

• 다이에틸에터(-40℃)·산화프로필렌(-37℃)·이황화탄소(-30℃)는 특수인화물이라 앞의 세 자리에 온다.
• 아세톤(-18.5℃)·벤젠(-11℃)·톨루엔(4℃)은 제1석유류라 그다음에 온다.
• 에틸알코올(13℃)은 알코올류라 인화점이 가장 높다.

혼동 주의: 제1석유류 안에서는 벤젠(-11℃)이 톨루엔(4℃)에 앞서고, 에틸알코올(13℃)은 톨루엔 뒤에 온다.

① $\mathrm{C_2H_5OH}$

② 2.07

③ 알코올류

④ $\mathrm{C_4H_9OH}$

⑤ 2.55

⑥ 제2석유류

⑦ $\mathrm{C_3H_5(OH)_3}$

⑧ 제3석유류

[해설]

증기비중은 분자량 ÷ 29(공기의 평균 분자량)로 구하고, 알코올류에는 탄소 1~3개인 포화1가 알코올만 들어간다.

• 에탄올 — 화학식은 C₂H₅OH이고, 분자량 46을 29로 나눈 1.6이 표의 값과 맞는다.
• 프로판올 — 분자량 60이므로 60/29 ≒ 2.07이고, 탄소가 3개라 알코올류다.
• n-뷰탄올 — 화학식은 C₄H₉OH이고 74/29 ≒ 2.55이며, 탄소가 4개라 알코올류에서 빠지고 인화점(약 35℃)에 따라 제2석유류다.
• 글리세린 — 화학식은 C₃H₅(OH)₃이고, 탄소는 3개지만 3가 알코올이라 알코올류가 아니며 인화점이 약 160℃여서 제3석유류다.

혼동 주의: 뷰탄올은 비수용성 제2석유류이고 글리세린은 수용성 제3석유류다. 지정수량은 수용성인지 아닌지에 따라 달라진다.

㉮ $\mathrm{2KNO_3 \rightarrow 2KNO_2 + O_2}$

㉯ Ⅱ등급

㉰ 약 110.89 L

[해설]

① 물질의 확인

흑색화약(질산칼륨 + 황 + 숯)의 원료이고 물·글리세린에 잘 녹으며 분해온도가 400℃인 제1류 위험물은 질산칼륨 $\mathrm{KNO_3}$ 이다. 품명은 질산염류, 지정수량 300kg, 위험등급은 Ⅱ다(제1류 중 지정수량 50kg인 것이 Ⅰ등급, 300kg인 것이 Ⅱ등급).

② 분해반응식

가열하면 아질산칼륨과 산소로 분해된다.

$\mathrm{2KNO_3 \rightarrow 2KNO_2 + O_2 \uparrow}$

③ 산소의 부피

질산칼륨의 분자량은 $39 + 14 + 48 = 101$ 이고, 질산칼륨 2몰에서 산소 1몰이 나온다. 표준상태에서 기체 1몰의 부피는 22.4L이므로

$V = 1{,}000\,\mathrm{g} \times \dfrac{1\,\mathrm{mol}}{101\,\mathrm{g}} \times \dfrac{1\,\mathrm{mol\ O_2}}{2\,\mathrm{mol\ KNO_3}} \times 22.4\,\mathrm{L/mol} = \mathbf{110.89}\,\mathrm{L}$

여기서 22.4L/mol을 쓸 수 있는 것은 표준상태(0℃, 1atm)라는 조건이 있기 때문이다. 조건이 다른 온도·압력이라면 $PV = nRT$ 로 풀어야 한다.

㉮ 12 kg

㉯ 약 6.11 $\mathrm{m^3}$

[해설]

비중 0.8은 밀도 0.8 kg/L이므로 메탄올의 질량은 0.8 × 10 = 8 kg이다. 완전연소식 CH₃OH + 1.5O₂ → CO₂ + 2H₂O에서 메탄올 1 kmol(32 kg)당 산소 1.5 kmol이 필요하고 CO₂ 1 kmol이 생긴다.

이론산소량 = 8 × (1.5 × 32)/32
= 12 kg

CO₂ 몰수 = 8/32 = 0.25 kmol
V = nRT/P = 0.25 × 0.08205 × (273 + 25)/1
≒ 6.11 m³

혼동 주의: 조건이 25℃이므로 298 K를 넣어야 한다. 0℃(표준상태)로 넣으면 5.60 m³이 나와 틀린다.

㉮ 벤젠고리의 1번 탄소에 $\mathrm{-OH}$, 2·4·6번 탄소에 $\mathrm{-NO_2}$가 하나씩 붙은 구조(시성식 $\mathrm{C_6H_2(NO_2)_3OH}$)

㉯ 18.34 wt%

[해설]

㉮ 구조식

피크르산은 페놀의 2·4·6 위치가 나이트로화된 트라이나이트로페놀이다. 벤젠 육각고리를 그리고 1번 자리에 $\mathrm{-OH}$, 2·4·6번 자리에 $\mathrm{-NO_2}$를 각각 하나씩 붙이면 된다.

㉯ 질소 함유량

질소 함유량은 $\dfrac{\text{N의 질량 합}}{\text{분자량}} \times 100$ 으로 구한다.

· 분자량 : $M = (12 \times 6) + (1 \times 2) + (16 + 1) + (14 + 16 \times 2) \times 3 = 229$

· 질소의 질량 합 : $14 \times 3 = 42$

$\therefore\ \dfrac{42}{229} \times 100 = \mathbf{18.34}\,\mathrm{wt\%}$

참고로 피크르산은 광택 있는 황색 침상 결정으로 쓴맛과 독성이 있고, 단독으로는 가열·마찰·충격에 비교적 안정하지만 금속염을 만들면 폭발이 심해진다.

① 40

② 6

③ 100

④ 100

⑤ 5

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 17의 소화난이도등급 Ⅰ 기준이다. 탱크가 넓고 높고 수량이 많을수록 불을 끄기 어려워 가장 무거운 소화설비를 요구한다.

• 액표면적 40m² 이상 — 증발면이 넓을수록 화재 규모가 커진다.
• 탱크 옆판 상단까지 높이 6m 이상 — 옥외탱크는 지반면, 옥내탱크는 바닥면에서 잰다.
• 고인화점위험물만을 100℃ 미만에서 저장하는 것은 제외 — 인화점보다 낮은 온도라 불이 붙기 어렵다.
• 지중탱크·해상탱크와 고체위험물 저장 옥외탱크는 지정수량 100배 이상이다.
• 단층건물 외의 건축물에 탱크전용실이 있고 인화점 38℃ 이상 70℃ 미만인 위험물을 저장하면 지정수량 5배 이상이다.

고인화점위험물은 인화점 100℃ 이상인 제4류 위험물이다. 온도 기준 100과 배수 기준 100이 같은 숫자이므로 묶어서 외운다.