2022년 위험물기능사실기(필답형) 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

(1) $\mathrm{CH_3COCH_3}$

(2) 제1석유류(수용성)

(3) 2.0

[해설]

아세톤은 카보닐기 양쪽에 메틸기가 붙은 케톤으로, 시성식은 $\mathrm{CH_3COCH_3}$, 분자식으로 쓰면 $\mathrm{C_3H_6O}$ 다. 인화점이 -18.5 ℃로 21 ℃보다 훨씬 낮아 제1석유류이고, 물과 자유롭게 섞이므로 수용성으로 분류되어 지정수량은 400 L다.

증기비중은 그 증기가 공기보다 몇 배 무거운지를 나타내는 값이므로, 분자량을 공기의 평균분자량 29로 나누면 된다.

$\text{증기비중} = \dfrac{\text{분자량}}{29}$

아세톤의 분자량은 $(12 \times 3) + (1 \times 6) + 16 = 58$ 이므로

$\dfrac{58}{29} = \mathbf{2.0}$

이다. 증기비중이 1보다 크다는 것은 증기가 바닥으로 깔린다는 뜻이므로, 낮은 곳에 고인 증기가 멀리 있는 불씨에 닿아 되돌아오며 타는 일이 없도록 환기에 신경 써야 한다.

(1) $\mathrm{Ca(ClO_3)_2}$

(2) $\mathrm{NaMnO_4}$

(3) $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$

[해설]

제1류 위험물은 금속의 양이온과 산소를 가진 음이온이 결합한 염이 대부분이다. 따라서 양이온의 전하와 음이온의 전하를 맞춰 개수를 정하면 화학식이 완성된다.

염소산 이온은 $\mathrm{ClO_3^-}$ 로 전하가 -1인데 칼슘 이온은 $\mathrm{Ca^{2+}}$ 이므로, 염소산 이온이 두 개 붙어 $\mathrm{Ca(ClO_3)_2}$ 가 된다. 과망가니즈산 이온 $\mathrm{MnO_4^-}$ 는 나트륨 이온 $\mathrm{Na^+}$ 와 1 : 1로 만나 $\mathrm{NaMnO_4}$, 다이크로뮴산 이온 $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ 는 칼륨 이온 두 개와 만나 $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$ 가 된다.

셋 모두 산화성 고체로, 그 자체는 타지 않지만 가연물에 산소를 공급해 불을 키운다. 따라서 가연물과 떼어 저장하고 마찰·충격을 피해야 한다.

3,332.18 L

[해설]

기체의 질량과 부피를 잇는 것은 이상기체 상태방정식이다. 몰수를 질량 나누기 분자량으로 바꿔 쓰면 질량에서 바로 부피를 얻을 수 있다.

$PV = nRT = \dfrac{W}{M}RT \quad\Rightarrow\quad V = \dfrac{WRT}{PM}$

대입할 값은 다음과 같다. 이산화탄소의 분자량은 $12 + (16 \times 2) = 44$, 질량은 6 kg = 6,000 g, 절대온도는 $273 + 25 = 298\ \mathrm{K}$ 다.

$V = \dfrac{6{,}000 \times 0.082 \times 298}{1 \times 44} = \mathbf{3{,}332.18}\ \mathrm{L}$

기체상수를 0.082 대신 0.08205로 두면 3,334.21 L가 나오는데, 이는 상수를 몇 자리까지 쓰느냐에 따른 차이일 뿐 같은 계산이다. 필답형에서는 어느 쪽으로 계산해도 정답으로 인정된다.

참고로 표준상태(0 ℃, 1 atm)라면 1 mol이 22.4 L를 차지하므로 $\dfrac{6{,}000}{44} \times 22.4 = 3{,}054.5\ \mathrm{L}$ 이 된다. 온도가 25 ℃로 올라간 만큼 부피가 늘어난 것이다.

(1) 100 kg

(2) 100 kg

(3) 500 kg

[해설]

제2류 위험물은 불이 잘 붙는 고체(가연성 고체)로, 지정수량이 100 kg·500 kg·1,000 kg 세 갈래로 나뉜다. 앞의 두 갈래는 위험등급까지 함께 외워 두면 다른 문제에서도 그대로 쓸 수 있다.

철분은 철의 분말 가운데 53 μm 체를 통과하는 것이 50 wt% 미만인 것은 위험물에서 제외한다. 황화인·적린은 100 kg으로 묶여 위험등급 II, 철분·금속분·마그네슘은 500 kg으로 묶여 위험등급 III이다.

이황화탄소, 스타이렌, 클로로벤젠

[해설]

발문이 두 가지를 한꺼번에 묻고 있다. 첫째 에터에 녹을 것, 둘째 물에는 녹지 않을 것이다. [보기]의 다섯 가지는 모두 유기용제인 에터에 잘 녹으므로, 실제로 갈리는 것은 물에 녹는가 하나뿐이다.

이황화탄소는 비중이 1.26으로 물보다 무겁고 물에 거의 녹지 않기 때문에, 증기가 새어 나오지 못하도록 아예 물속에 잠기게 하는 수조 저장을 한다. 물에 담가 보관한다는 사실 자체가 물에 녹지 않는다는 증거인 셈이다. 반면 에터·알코올·벤젠 같은 유기용제에는 잘 녹는다.

한편 특수인화물(이황화탄소·아세트알데하이드)은 법령의 품명 구분에서 수용성·비수용성을 따로 나누지 않는다. 이 점을 근거로 이황화탄소를 답에서 빼는 풀이도 있으나, 이 문제는 같은 문장에서 “에터에 녹고”라는 화학적인 용해도를 함께 묻고 있으므로 “물에 녹지 않는다”도 같은 기준으로 읽는 것이 앞뒤가 맞다. 아세트알데하이드가 물에 완전히 섞여 제외되는 것도 같은 기준을 적용한 결과다.

(1) $\mathrm{KNO_3}$

(2) II등급

(3) $\mathrm{2KNO_3 \rightarrow 2KNO_2 + O_2}$

[해설]

흑색화약은 질산칼륨 약 75 %에 숯 15 %, 황 10 %를 섞어 만든다. 여기서 산소를 대 주는 산화제 노릇을 하는 것이 질산칼륨($\mathrm{KNO_3}$)이다. 분자량으로도 확인된다.

$39 + 14 + (16 \times 3) = 101$

질산칼륨은 이온끼리 결합한 무기 화합물이라 따로 떼어 보일 작용기가 없다. 그래서 시성식을 물어도 화학식과 같은 $\mathrm{KNO_3}$ 로 답하면 된다. 품명은 질산염류이고 지정수량은 300 kg, 위험등급은 II다.

400 ℃ 부근에서 열분해하면 산소를 내놓고 아질산칼륨($\mathrm{KNO_2}$)으로 바뀐다. 원자 수를 맞춰 보면 오른쪽에 산소 분자 하나가 나오려면 산소 원자가 두 개 더 필요하므로, 왼쪽 $\mathrm{KNO_3}$ 앞에 계수 2가 붙어야 한다. 왼쪽 산소 6개 = 오른쪽 $4 + 2 = 6$ 개로 균형이 맞는다.

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

일부 교재에는 이 식이 좌변 계수 2가 빠진 채 $\mathrm{KNO_3 \rightarrow 2KNO_2 + O_2}$ 로 실려 있으나, 이대로는 칼륨도 질소도 산소도 개수가 맞지 않는 미평형 식이다. 계수 2를 붙인 위 식이 옳다.

질산칼륨은 강한 산화제여서 가연물과 섞이면 마찰·충격만으로도 폭발할 수 있다. 저장할 때는 가연물과 떨어뜨리고 차고 건조한 곳에 두며, 화재 시에는 다량의 물로 냉각소화한다.

(1) $\mathrm{CH_3CHO}$

(2) $\mathrm{2CH_3CHO + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 4H_2O}$

(3) 아세트산(초산)

[해설]

1차 알코올은 산화될 때마다 한 계단씩 모양을 바꾼다. 알코올에서 수소를 잃으면 알데하이드가 되고, 알데하이드가 산소를 얻으면 카복실산이 된다. 거꾸로 가면 환원이다.

$\mathrm{C_2H_5OH \rightarrow CH_3CHO \rightarrow CH_3COOH}$ (화살표 방향이 산화, 반대 방향이 환원이다)

따라서 에틸알코올을 1차 산화하면 아세트알데하이드($\mathrm{CH_3CHO}$)가 되고, 이를 다시 산화하면 아세트산($\mathrm{CH_3COOH}$)이 된다.

아세트알데하이드의 연소식은 탄소를 이산화탄소로, 수소를 물로 보낸 뒤 산소 수를 맞추면 세워진다. $\mathrm{CH_3CHO}$ 를 2분자로 잡으면 탄소 4개 → $\mathrm{4CO_2}$, 수소 8개 → $\mathrm{4H_2O}$ 이고, 오른쪽 산소가 $8 + 4 = 12$ 개인데 왼쪽 알데하이드가 이미 2개를 갖고 있으므로 모자란 10개를 $\mathrm{5O_2}$ 로 채운다.

$\mathrm{2CH_3CHO + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 4H_2O}$

아세트알데하이드는 인화점이 -38 ℃로 매우 낮고 연소범위도 넓어 특수인화물로 다루며, 아세트산은 물에 잘 섞이는 제2석유류다. 아세트산을 초산이라고 부르기도 하는데 같은 물질이므로 어느 이름으로 답해도 된다.

7배

[해설]

서로 다른 위험물을 한 곳에 저장할 때에는 각각의 저장량을 그 물질의 지정수량으로 나눈 뒤 모두 더한다. 먼저 세 물질의 품명부터 가려야 지정수량을 알 수 있다.

$\dfrac{200}{50} + \dfrac{1{,}000}{1{,}000} + \dfrac{4{,}000}{2{,}000} = 4 + 1 + 2 = \mathbf{7}$

따라서 지정수량 배수의 합계는 7배다. 산화프로필렌은 인화점이 -37 ℃로 매우 낮은 특수인화물이고, 벤즈알데하이드와 아크릴산은 둘 다 제2석유류지만 물에 녹느냐에 따라 지정수량이 두 배 차이가 난다는 점이 이 문제의 갈림길이다.

(1) $\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}$

(2) $\mathrm{S + H_2 \rightarrow H_2S}$

[해설]

황은 푸른 불꽃을 내며 타서 자극성이 강한 유독가스인 이산화황(아황산가스)이 된다. 황과 산소가 1 : 1로 만나므로 계수를 따로 맞출 것도 없다.

$\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}$

또 고온에서 수소와 직접 만나면 달걀 썩는 냄새가 나는 유독가스인 황화수소가 만들어진다.

$\mathrm{S + H_2 \rightarrow H_2S}$

두 반응 모두 생성물이 사람에게 해로운 기체라는 점이 핵심이다. 황은 순도가 60 wt% 이상인 것만 위험물로 보며, 이때 불순물로 치는 것은 활석 등 불연성 물질과 수분이다. 지정수량은 100 kg, 위험등급은 II다.

황은 전기가 통하지 않는 부도체여서 분말을 다룰 때 정전기가 쌓이기 쉽고, 공기 중에 흩날리면 분진폭발을 일으킬 수 있다. 화재 시에는 다량의 물로 냉각소화한다.

① 자동화재탐지설비

② 비상경보설비

③ 확성장치

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 17은 지정수량의 10배 이상을 저장하거나 취급하는 제조소등에 경보설비를 갖추도록 정하고 있다(이동탱크저장소는 제외). 그 종류는 다음 다섯 가지이며, 이 가운데 세 가지를 골라 쓰면 된다.

① 자동화재탐지설비

② 자동화재속보설비

③ 비상경보설비(비상벨장치 또는 경종을 포함한다)

④ 확성장치(휴대용확성기를 포함한다)

⑤ 비상방송설비

제조소등의 종류와 규모에 따라 자동화재탐지설비를 반드시 설치해야 하는 곳이 정해져 있고, 그 밖의 곳은 위 다섯 가지 가운데 한 가지 이상만 갖추면 된다. 다만 경보설비와 별개로 지정수량 100배 이상의 옥외탱크저장소 등에는 피난설비·소화설비 기준이 따로 적용된다.

참고로 자동화재속보설비는 화재 신호를 소방관서로 자동으로 알리는 설비이고, 확성장치와 비상방송설비는 사람에게 음성으로 알리는 설비라는 점에서 역할이 다르다.

(1) $\mathrm{CH_4}$(메테인)

(2) $\mathrm{C_2H_6}$(에테인)

(3) 해당 없음

(4) $\mathrm{H_2}$(수소)

(5) $\mathrm{H_2}$(수소)

[해설]

금수성 물질이 물과 만나면 물의 수소를 빼앗아 가연성 기체를 내놓는다. 어떤 기체가 나오는지는 물질이 무엇과 결합해 있었는지를 보면 알 수 있다.

알킬알루미늄은 알루미늄에 붙어 있던 알킬기가 물의 수소와 붙어 그대로 알케인으로 떨어져 나온다. 메틸기는 메테인($\mathrm{CH_4}$), 에틸기는 에테인($\mathrm{C_2H_6}$)이 되는 식이다. 리튬은 알칼리금속이라, 수소화칼슘은 음이온 수소를 갖고 있어 각각 물에서 수소를 발생시킨다.

반면 황린은 물과 반응하지 않는다. 오히려 공기 중에서 저절로 불이 붙는 성질 때문에 약알칼리성(pH 9 정도)의 물속에 잠기게 해서 보관한다. 물에 넣어 두는 물질이라는 점 때문에 물과 반응하는 것으로 착각하기 쉬우니 주의해야 한다.

6단위

[해설]

소요단위는 소화설비를 얼마나 갖추어야 하는지 정하려고 건축물의 규모나 위험물의 양을 1단위로 묶어 놓은 기준이다. 건축물은 연면적으로, 위험물은 지정수량의 배수로 환산한다. 같은 연면적이라도 용도와 외벽이 내화구조인지에 따라 1소요단위에 해당하는 면적이 두 배 차이 난다.

· 제조소·취급소의 건축물 — 외벽이 내화구조이면 연면적 100 m², 내화구조가 아니면 50 m²

· 저장소의 건축물 — 외벽이 내화구조이면 연면적 150 m², 내화구조가 아니면 75 m²

· 위험물 — 지정수량의 10배

문제의 건축물은 옥내저장소이므로 저장소이고 외벽이 내화구조가 아니므로 75 m²가 1소요단위다.

$\text{소요단위} = \dfrac{450}{75} = 6$

따라서 소요단위는 6단위다. 저장하는 위험물이 제4류라는 것은 건축물의 소요단위를 셀 때는 쓰이지 않는 조건으로, 위험물 자체의 소요단위(지정수량의 10배가 1단위)를 따로 물을 때에나 필요하다.

(1) 이산화질소($\mathrm{NO_2}$)

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

[해설]

질산은 산화성 액체인 제6류 위험물이다. 그 자체는 타지 않지만 빛이나 열을 받으면 스스로 갈라지며, 이때 물과 산소, 그리고 적갈색을 띤 $\mathrm{NO_2}$ 가 함께 나온다. 이 가운데 사람에게 해로운 것이 이산화질소로, 들이마시면 폐를 상하게 하는 유독성 기체다.

계수는 발문이 이미 알려 준 비율(질산 4 mol → 산소 1 mol)에서 출발하면 쉽게 맞는다. 왼쪽 $\mathrm{4HNO_3}$ 에는 수소 4개, 질소 4개, 산소 12개가 들어 있다. 질소 4개는 모두 $\mathrm{4NO_2}$ 로 가면서 산소 8개를 데려가고, 수소 4개는 $\mathrm{2H_2O}$ 가 되며 산소 2개를 쓴다. 남는 산소 2개가 $\mathrm{O_2}$ 한 분자다.

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

질산은 지정수량 300 kg의 위험물이며, 비중이 1.49 이상인 것만 위험물로 다룬다. 분해를 막기 위해 갈색 병에 넣어 햇빛이 닿지 않는 곳에 보관하고, 자극성 증기가 새지 않도록 밀전한다.

(1) 벤젠 고리의 1번 자리에 $\mathrm{CH_3}$, 2·4·6번 자리에 $\mathrm{NO_2}$ — $\mathrm{C_6H_2(CH_3)(NO_2)_3}$

(2) 벤젠 고리의 1번 자리에 $\mathrm{OH}$, 2·4·6번 자리에 $\mathrm{NO_2}$ — $\mathrm{C_6H_2(OH)(NO_2)_3}$

[해설]

두 물질 모두 벤젠 고리에 나이트로기가 세 개 붙은 나이트로화합물이다. 차이는 1번 자리에 무엇이 붙어 있느냐뿐으로, 톨루엔에서 출발하면 메틸기($\mathrm{CH_3}$)가, 페놀에서 출발하면 하이드록시기($\mathrm{OH}$)가 남는다. 나이트로기가 들어가는 자리는 두 경우 모두 2번·4번·6번이다.

피크르산은 건조한 상태에서 특히 위험하므로 물을 적셔 보관하고, 철·구리·납 같은 금속 용기에 담으면 충격에 민감한 피크르산염이 생기므로 피한다. TNT는 물에 녹지 않고 비교적 안정해 다루기 쉽지만, 충격이나 마찰을 받으면 폭발하는 것은 두 물질이 마찬가지다.

제2석유류, 제3석유류, 제4석유류, 동식물유류

[해설]

제4류 위험물의 위험등급은 인화점이 낮아 위험한 순서대로 매겨져 있다. 가장 위험한 특수인화물이 I, 그다음이 제1석유류와 알코올류로 II, 나머지가 모두 III이다.

즉 제4류에서 III등급이 아닌 것은 특수인화물·제1석유류·알코올류 셋뿐이므로, 이 셋을 빼고 남는 제2석유류·제3석유류·제4석유류·동식물유류 네 가지가 답이다. 위험등급 III으로 갈수록 인화점이 높아 상온에서는 불이 잘 붙지 않지만, 지정수량이 커서 한 곳에 많은 양이 쌓인다는 점은 함께 기억해 둘 만하다.

(1) 1기압에서 인화점이 21 ℃ 미만인 것

(2) 1기압에서 인화점이 70 ℃ 이상 200 ℃ 미만인 것

(3) 1기압에서 인화점이 200 ℃ 이상 250 ℃ 미만인 것

[해설]

인화성 액체의 품명은 모두 1기압에서 잰 인화점을 기준으로 갈린다. 구간의 경계값이 어느 쪽에 속하는지가 채점 포인트이므로, 아래처럼 왼쪽 끝은 “이상”, 오른쪽 끝은 “미만”으로 이어진다는 점을 눈에 익혀 두는 것이 좋다.

제2석유류와 제3석유류 사이에는 인화점이 없는 것이 아니라, 21 ℃부터 70 ℃까지가 제2석유류이고 70 ℃부터 200 ℃까지가 제3석유류로 맞물려 있다. 또 제2석유류·제3석유류는 도료류처럼 가연성 액체량이 40 wt% 이하이면서 인화점과 연소점 조건을 만족하는 것은 제외되는 단서가 붙어 있다.

(1) $\mathrm{2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2}$

(2) $\mathrm{2K + 2C_2H_5OH \rightarrow 2C_2H_5OK + H_2}$

[해설]

칼륨은 반응성이 매우 큰 알칼리금속이라, 수소가 붙어 있는 하이드록시기를 만나면 그 수소를 밀어내고 자기가 그 자리에 들어간다. 물이든 알코올이든 원리가 같아서, 생성물은 “칼륨이 들어간 화합물 + 수소”가 된다.

물과 만나면 수산화칼륨이 되면서 수소가 나온다.

$\mathrm{2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2}$

에틸알코올과 만나면 칼륨에틸레이트(칼륨에톡사이드)가 되면서 역시 수소가 나온다.

$\mathrm{2K + 2C_2H_5OH \rightarrow 2C_2H_5OK + H_2}$

두 반응 모두 열을 크게 내놓기 때문에, 발생한 수소가 그 반응열로 점화되어 폭발적으로 타기 쉽다. 공기 중에서 그냥 두어도 산화되어 산화칼륨이 되므로($\mathrm{4K + O_2 \rightarrow 2K_2O}$), 등유·경유·유동파라핀 같은 석유류 속에 담가 보관한다.

칼륨은 제3류 위험물 중 지정수량 10 kg, 위험등급 I에 해당하는 자연발화성 및 금수성 물질이다. 불이 났을 때 물이나 이산화탄소를 쓰면 반응이 더 격해지므로, 마른모래나 팽창질석·팽창진주암 또는 탄산수소염류 분말소화약제로 질식소화한다.

(1) 탄산수소칼륨($\mathrm{KHCO_3}$)

(2) $\mathrm{2KHCO_3 \rightarrow K_2CO_3 + CO_2 + H_2O}$

[해설]

분말소화약제는 주성분에 따라 네 가지로 나뉜다. 제1종은 나트륨, 제2종은 칼륨이 들어간 탄산수소염이고, 제3종만 인산염이라 A급 화재에도 쓸 수 있다.

제2종 분말은 190 ℃ 부근에서 1차로 분해해 탄산칼륨과 이산화탄소, 수증기를 내놓는다.

$\mathrm{2KHCO_3 \rightarrow K_2CO_3 + CO_2 + H_2O}$ (1차, 190 ℃)

온도가 더 올라 590 ℃에 이르면 2차 분해가 일어난다.

$\mathrm{2KHCO_3 \rightarrow K_2O + 2CO_2 + H_2O}$ (2차, 590 ℃)

분해로 생긴 이산화탄소가 산소를 밀어내 질식소화를, 분해에 열을 빼앗기면서 냉각소화를 함께 한다. 제2종은 제1종보다 소화력이 1.67배가량 크다고 알려져 있다.

13.82 m³

[해설]

양 끝이 볼록한 횡형 원통형 탱크의 내용적은, 가운데 원통의 부피에 양쪽 볼록부를 길이의 3분의 1만큼 얹어 계산한다.

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

여기서 $r$ 은 단면 원의 반지름, $l$ 은 가운데 원통부의 길이, $l_1$ 과 $l_2$ 는 양쪽 볼록부의 길이다. 그림에서 반지름은 1 m, 원통부는 4 m, 볼록부는 양쪽 각각 0.6 m이므로

$V = 3.14 \times 1^2 \times \left(4 + \dfrac{0.6 + 0.6}{3}\right) = 3.14 \times 4.4 = \mathbf{13.82}\ \mathrm{m^3}$

이다. 원주율을 $\pi$ 그대로 두고 계산해도 13.82 m³로 같은 값이 나온다.

가장 흔한 실수는 그림의 1 m를 지름으로 잘못 읽는 것과, 볼록부를 3으로 나누지 않고 그대로 더하는 것이다. 볼록부는 원통이 아니라 끝으로 갈수록 좁아지는 모양이므로 같은 길이의 원통보다 부피가 작고, 그래서 3분의 1을 곱해 준다. 참고로 탱크의 용량은 이렇게 구한 내용적에서 공간용적을 뺀 값이다.

(1) 화기·충격주의, 가연물접촉주의

(2) 화기엄금, 충격주의

(3) 가연물접촉주의

[해설]

운반용기의 주의사항은 유별로 정해져 있고, 같은 유별 안에서도 성질에 따라 갈리는 것이 있다. 염소산염류는 제1류 가운데 알칼리금속의 과산화물이 아니므로 “물기엄금”이 빠지고, 과산화수소는 제6류이므로 한 가지만 붙는다.

제5류는 분자 안에 산소를 갖고 있어 외부 산소 없이도 타는 자기반응성 물질이므로 불과 충격을 모두 경계하라는 뜻에서 두 가지를 붙이고, 제6류는 자신이 타지는 않고 남을 태우는 산화성 액체라 가연물과의 접촉만 막으면 된다.