2021년 위험물기능사실기(필답형) 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

(1) 에틸렌글리콜

(2) $\mathrm{C_2H_4(OH)_2}$

(3) $\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH}$ — 탄소 2개가 단일결합으로 이어지고, 각 탄소에 수소 2개와 하이드록시기 1개가 붙은 구조

[해설]

설명에 나온 조건을 하나씩 따라가면 물질이 좁혀진다. 하이드록시기가 2개인 2가 알코올이면서 단맛이 나고 물보다 무거우며(비중 1.11) 부동액의 원료로 쓰이는 것은 에틸렌글리콜이다.

시성식은 $\mathrm{C_2H_4(OH)_2}$로 쓰며, 하이드록시기의 위치를 드러내어 $\mathrm{CH_2OHCH_2OH}$ 또는 $\mathrm{HOCH_2CH_2OH}$로 적어도 같은 물질이다. 분자식으로는 $\mathrm{C_2H_6O_2}$가 된다.

구조식은 탄소 두 개를 단일결합으로 잇고 각 탄소의 남은 결합 손에 수소 2개와 하이드록시기 1개를 채우면 완성된다. 탄소의 원자가 4를 모두 채웠는지 확인하는 것이 구조식 문항의 채점 포인트다.

에틸렌글리콜은 인화점이 111 ℃로 높아 제3석유류(수용성)에 들어가고 지정수량은 4,000 L다. 무색무취의 끈끈한 액체이며 단맛이 나지만 독성이 있어 마시면 안 된다. 알코올류가 아니라 제3석유류로 분류되는 이유는, 위험물안전관리법령의 “알코올류”가 탄소 원자 수 1~3개인 포화 1가 알코올만을 가리키기 때문이다. 2가 알코올인 에틸렌글리콜과 3가 알코올인 글리세린은 모두 제3석유류(수용성)로 간다.

참고로 발문의 비중 1.1은 어림값이며, 물성표에 실리는 값은 보통 1.11이다.

① 철분

② 금속분

[해설]

제2류 위험물의 지정수량은 품명에 따라 100 kg · 500 kg · 1,000 kg의 세 단계로 나뉜다.

따라서 지정수량이 500 kg인 품명은 철분·금속분·마그네슘 세 가지이며, 이 중 어느 두 가지를 써도 정답이다.

이 세 품명은 입자의 굵기에 따라 위험물에서 빠지는 단서가 붙어 있다는 점도 함께 알아 두면 좋다. 철분은 철의 분말 중 53 μm 체를 통과하는 것이 50 wt% 미만이면 제외되고, 금속분은 알칼리금속·알칼리토금속·철·마그네슘 외의 금속 분말을 말하되 구리분·니켈분과 150 μm 체를 통과하는 것이 50 wt% 미만인 것은 제외되며, 마그네슘은 2 mm 체를 통과하지 못하는 덩어리와 지름 2 mm 이상의 막대 모양이 제외된다. 덩어리째로는 잘 타지 않고 잘게 부서져야 위험해지기 때문이다.

(1) $\mathrm{C_2H_5ONO_2}$

(2) 액체

(3) $\mathrm{C_6H_2OH(NO_2)_3}$

(4) 고체

[해설]

제5류 위험물은 모두 자기반응성 물질이지만 품명별로 상온에서의 상태가 갈린다. 두 물질의 품명을 먼저 짚으면 답이 정리된다.

질산에틸($\mathrm{C_2H_5ONO_2}$)은 질산에스터류다. 에틸알코올을 질산으로 에스터화해 얻는 무색투명한 액체로 방향이 있고 단맛이 나며, 물에는 잘 녹지 않고 알코올에 녹는다. 비점이 88 ℃로 낮아 증기가 쉽게 생기므로 인화 위험이 크다.

트라이나이트로페놀(피크르산, $\mathrm{C_6H_2OH(NO_2)_3}$)은 나이트로화합물이다. 페놀을 진한 질산과 진한 황산의 혼산으로 나이트로화해 얻는 광택 있는 황색 결정, 곧 고체다. 쓴맛과 독성이 있고 찬물에는 잘 녹지 않으며, 금속과 반응해 만들어지는 피크르산염은 충격에 매우 예민해지므로 철·구리 용기에 담지 않고 물에 적신 상태로 저장한다.

즉 질산에스터류는 액체가 많되 나이트로셀룰로스처럼 고체인 예외가 있고, 나이트로화합물은 모두 고체라고 정리해 두면 된다.

7배

[해설]

여러 위험물을 같은 장소에 저장할 때에는 각 위험물의 저장량을 그 품명의 지정수량으로 나눈 값을 모두 더해 배수의 총합을 구한다. 이 값이 1 이상이면 그 장소는 위험물안전관리법령의 규제를 받는다.

$\text{지정수량의 배수} = \dfrac{A\text{의 저장량}}{A\text{의 지정수량}} + \dfrac{B\text{의 저장량}}{B\text{의 지정수량}} + \cdots$

$\dfrac{2{,}000}{1{,}000} + \dfrac{400}{200} + \dfrac{1{,}200}{400} = 2 + 2 + 3 = 7$

따라서 지정수량 배수의 총합은 7배이다.

이 유형에서 갈리는 지점은 수용성 여부다. 같은 제1석유류라도 비수용성인 메틸에틸케톤은 200 L, 수용성인 아세톤은 400 L로 지정수량이 두 배 차이가 난다. 제4류 위험물은 수용성 쪽의 지정수량이 비수용성의 2배라는 규칙을 기억해 두면 표를 외우는 부담이 줄어든다.

아닐린 > 아세트산 > 에틸알코올 > 사이안화수소 > 아세트알데하이드

[해설]

인화점은 액체 표면에 불씨를 댔을 때 불이 붙는 최저 온도로, 이 값이 낮을수록 위험하다. 위험물안전관리법령이 제4류 위험물의 품명을 나누는 기준도 바로 인화점이므로, 품명을 알면 인화점의 순서를 거의 정할 수 있다.

제4류 위험물의 품명은 인화점을 기준으로 특수인화물(발화점 100 ℃ 이하 또는 인화점 −20 ℃ 이하이면서 비점 40 ℃ 이하) → 제1석유류(21 ℃ 미만) → 알코올류 → 제2석유류(21 ℃ 이상 70 ℃ 미만) → 제3석유류(70 ℃ 이상 200 ℃ 미만) → 제4석유류(200 ℃ 이상 250 ℃ 미만) → 동식물유류의 차례로 올라간다.

따라서 제3석유류 → 제2석유류 → 알코올류 → 제1석유류 → 특수인화물의 순서로 늘어놓으면 그대로 답이 된다. 개별 수치를 다 외우지 못해도 품명만 알면 순서를 세울 수 있다는 점이 이 유형의 요령이다.

(1) $\mathrm{C_6H_5CH_3}$

(2) 제1석유류(비수용성)

(3) 3.17

[해설]

벤젠($\mathrm{C_6H_6}$)의 수소 한 개를 메틸기($\mathrm{-CH_3}$)로 치환하면 톨루엔($\mathrm{C_6H_5CH_3}$)이 된다. 인화점이 4 ℃로 21 ℃보다 낮으므로 제1석유류에 들어가고, 물에 녹지 않으므로 비수용성이어서 지정수량은 200 L다.

증기비중은 그 증기가 공기보다 얼마나 무거운지를 나타내는 값으로, 물질의 분자량을 공기의 평균분자량 29로 나누어 구한다.

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

톨루엔의 분자량은 $12 \times 7 + 1 \times 8 = 92$이므로

$\dfrac{92}{29} = 3.172 \rightarrow 3.17$

이 되어 3.17이다. 증기비중이 1보다 훨씬 크다는 것은 새어 나온 증기가 위로 흩어지지 않고 바닥이나 피트 같은 낮은 곳에 고인다는 뜻이므로, 환기구를 낮은 위치에도 두어야 한다는 실무적 의미가 있다.

액체 자체의 무게를 견주는 비중(톨루엔 0.87로 물보다 가볍다)과 혼동하지 않도록 한다.

(1) 소규모 옥내저장소

(2) 50배

(3) 6 m 미만

[해설]

옥내저장소는 규모가 작으면 일반 기준을 그대로 지우기보다 몇 가지 안전조치를 조건으로 걸고 완화해 주는데, 이것이 위험물안전관리법 시행규칙 별표 5의 소규모 옥내저장소의 특례다.

이 특례를 적용받으려면 다음 세 가지를 모두 만족해야 한다.

① 저장하거나 취급하는 위험물의 최대수량이 지정수량의 50배 이하일 것

② 저장창고의 처마높이가 6 m 미만일 것

③ 저장창고의 바닥면적이 150 $\mathrm{m^2}$ 이하일 것

그리고 저장창고 쪽에는 벽·기둥·바닥·보 및 지붕을 내화구조로 하고, 출입구에 수시로 열 수 있는 자동폐쇄방식의 60분+방화문 또는 60분 방화문을 달며, 창을 내지 않고, 저장수량에 따른 보유공지를 두라는 조건이 붙는다. 그림에 내화구조·방화문·환기구·보유공지가 함께 표시된 것은 이 조건들을 보여 주기 위한 것이다.

문제의 저장소는 지정수량의 40배를 저장하므로 50배 이하라는 조건을 만족한다. 다만 기준값을 묻는 물음에는 실제 저장량(40배)이 아니라 특례가 허용하는 한도인 50배를 써야 한다.

처마높이 기준은 6 m 미만이다. “6 m 이하”가 아니라는 점을 눈여겨봐야 한다. 옥내저장소에서 처마높이 6 m는 단층건물이냐 다층건물이냐를 가르는 경계이기도 해서, 법령이 “미만”이라는 표현을 일관되게 쓴다. 일부 교재가 발문의 전제를 “6 m 이하”로 적어 놓고 정답은 “6 m 미만”으로 싣는 경우가 있는데, 법령의 문언대로 미만이 맞다.

배수 조건을 함께 정리해 두면, 일반 옥내저장소와 다층건물 옥내저장소는 저장수량의 배수 제한이 따로 없고, 복합용도 건축물의 옥내저장소는 지정수량의 20배 이하, 소규모 옥내저장소는 50배 이하다. 처마높이 6 m 미만이라는 조건은 이들 모두에 걸린다.

(1) pH 9 정도의 약알칼리성 물속에 저장한다

(2) 적린

(3) $\mathrm{P_2O_5}$

(4) $\mathrm{PH_3}$

[해설]

황린($\mathrm{P_4}$)은 제3류 위험물 중 자연발화성 물질로 지정수량 20 kg, 위험등급 I 이다. 발화점이 34 ℃로 낮아 공기 중에 그냥 두면 스스로 발화한다.

① 저장 방법 — 물에 녹지 않고 물보다 무거우므로 물속에 잠기게 하여 공기를 차단한다. 다만 물이 강알칼리성이 되면 포스핀이 발생하므로 pH 9 정도의 약알칼리성을 유지하는 것이 요령이다. 이황화탄소·벤젠에는 녹는다.

② 동소체 — 공기를 차단하고 약 250~260 ℃로 가열하면 적린이 된다. 같은 인 원자로 이루어졌지만 성질은 크게 달라, 적린은 발화점이 260 ℃로 높고 자연발화하지 않으며 제2류 위험물(가연성 고체)로 분류된다.

③ 연소 — 연소하면 백색 연기와 함께 오산화인($\mathrm{P_2O_5}$)이 생기고 마늘 냄새가 난다.

$\mathrm{P_4} + 5\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{P_2O_5}$

④ 강알칼리와의 반응 — 수산화칼륨 수용액 같은 강알칼리와 만나면 맹독성 가스인 포스핀($\mathrm{PH_3}$, 인화수소)을 낸다.

$\mathrm{P_4} + 3\mathrm{KOH} + 3\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{PH_3} + 3\mathrm{KH_2PO_2}$

①의 “pH 9”가 왜 필요한지가 이 반응식에 들어 있다. 물속에 저장하되 그 물이 강알칼리가 되면 오히려 맹독성 가스가 나오므로, 약알칼리 선에서 관리해야 한다는 뜻이다. 소화는 물이나 포로 냉각소화하며, 연소 생성물인 오산화인도 유독하므로 방독마스크를 착용한다.

(1) $\mathrm{KMnO_4}$

(2) 과망가니즈산염류

(3) 반응하지 않는다

(4) 해당없음

(5) 용해된다

[해설]

과망가니즈산칼륨($\mathrm{KMnO_4}$)은 제1류 위험물 중 과망가니즈산염류에 속하며 지정수량은 1,000 kg, 위험등급은 III 이다. 흑자색의 광택 있는 결정으로 분자량은 158, 비중은 약 2.7이다.

이 문제의 핵심은 “녹는 것”과 “반응하는 것”을 구분하는 데 있다. 과망가니즈산칼륨은 물에 잘 녹아 진한 보라색 용액이 되지만, 이것은 단순히 용해일 뿐 화학반응이 아니다. 따라서 물과는 반응하지 않고, 반응하지 않으니 생성되는 기체도 없다. 알코올·아세톤·빙초산에도 녹는다.

같은 제1류라도 알칼리금속의 과산화물(과산화칼륨 등)은 물과 격렬히 반응해 산소를 내므로 주수소화가 금지되지만, 과망가니즈산칼륨은 그렇지 않아 다량의 물로 냉각소화할 수 있다. 이 대비를 알아 두면 (3)·(4)의 답이 헷갈리지 않는다.

가열하면 약 200~250 ℃에서 분해하며 산소를 내놓는다.

$2\mathrm{KMnO_4} \rightarrow \mathrm{K_2MnO_4} + \mathrm{MnO_2} + \mathrm{O_2}$

강한 산화제이므로 진한 황산과 접촉하면 폭발할 수 있고, 목탄·황·유기물과 섞이면 마찰이나 충격만으로도 발화할 위험이 있다. 햇빛을 받으면 서서히 분해하므로 갈색 유리병에 담아 냉암소에 보관한다.

(1) 3 m 이상

(2) 5 m 이상

(3) 30 m 이상

(4) 30 m 이상

(5) 10 m 이상

(6) 50 m 이상

[해설]

안전거리는 제조소의 바깥쪽 벽(또는 이에 상당하는 공작물의 바깥쪽)에서 대상 시설까지 잰 수평거리다. 사람이 많이 모이거나 되돌릴 수 없는 피해가 생기는 곳일수록 멀리 떨어뜨린다.

· 사용전압 7,000 V 초과 35,000 V 이하의 특고압가공전선 — 3 m 이상

· 사용전압 35,000 V 를 초과하는 특고압가공전선 — 5 m 이상

· 주거용 건축물·공작물(제조소가 있는 부지 안의 것은 제외) — 10 m 이상

· 고압가스·액화석유가스·도시가스를 저장하거나 다루는 시설 — 20 m 이상

· 학교·병원·극장, 그 밖에 많은 사람을 수용하는 시설 — 30 m 이상

· 지정문화유산·천연기념물 등 — 50 m 이상

(1)의 30,000 V 는 7,000 V 초과 35,000 V 이하 구간에 들어가므로 3 m 이상이고, (2)처럼 35,000 V 를 넘겨야 5 m 로 올라간다. 이 경계가 갈림길이다.

(3)(4)의 학교·병원은 “많은 사람을 수용하는 시설”에 드는 대표 예다. 이 무리에는 300명 이상을 수용하는 영화상영관, 20명 이상을 수용하는 아동복지·노인복지·장애인복지 시설 등도 함께 든다.

(5)의 주택은 주거용 건축물이므로 10 m 이상인데, 제조소와 같은 부지 안에 있는 사택 등은 제외된다.

(6)은 2024년 국가유산 체계로 법령 용어가 정비된 자리다. 종전의 “지정문화재”가 “지정문화유산 및 천연기념물 등”으로 바뀌었을 뿐 거리 기준은 그대로 50 m 이상이다.

끝으로 제6류 위험물만 취급하는 제조소에는 안전거리 규정이 적용되지 않고, 부지 경계선에 방화상 유효한 담을 세우면 관할 소방서장의 인정에 따라 거리를 줄일 수 있다. 3 · 5 · 10 · 20 · 30 · 50 을 “전선 → 주택 → 가스시설 → 다수인 시설 → 문화유산” 순서로 이어 두면 헷갈리지 않는다.

(1) $2\mathrm{C_2H_5OH} + 2\mathrm{Na} \rightarrow 2\mathrm{C_2H_5ONa} + \mathrm{H_2}$

(2) 12.23 L

[해설]

나트륨은 알코올의 하이드록시기와 반응해 나트륨알콕사이드를 만들면서 수소를 내놓는다. 에틸알코올과 반응하면 나트륨에틸레이트($\mathrm{C_2H_5ONa}$)가 생긴다.

$2\mathrm{C_2H_5OH} + 2\mathrm{Na} \rightarrow 2\mathrm{C_2H_5ONa} + \mathrm{H_2}$

① 몰수 — 에틸알코올의 분자량은 $12 \times 2 + 1 \times 6 + 16 = 46$이므로 46 g은 정확히 1 mol이다.

② 수소의 몰수 — 반응식에서 에틸알코올 2 mol이 반응할 때 수소가 1 mol 나오므로, 1 mol이 반응하면 수소는 $0.5\,\mathrm{mol}$이다.

③ 부피 — 25 ℃는 표준상태가 아니므로 22.4 L를 그냥 곱하면 안 되고 이상기체 상태방정식을 써야 한다.

$V = \dfrac{nRT}{P} = \dfrac{0.5 \times 0.08205 \times (273 + 25)}{1} = 12.2255$

따라서 발생하는 수소의 부피는 12.23 L이다.

같은 문항을 “표준상태”로 조건을 걸어 싣고 $0.5 \times 22.4 = 11.2\,\mathrm{L}$를 답으로 두는 교재도 있다. 표준상태(0 ℃, 1기압)라면 그 값이 맞지만, 온도가 25 ℃로 주어지면 12.23 L가 된다. 조건에 온도가 명시되어 있는지를 먼저 보는 습관을 들여야 한다.

참고로 나트륨은 물뿐 아니라 알코올과도 이렇게 반응해 수소를 내므로 물기와 알코올을 피해 등유·경유 같은 보호액 속에 저장한다.

(1) 화기엄금, 충격주의

(2) 화기엄금

(3) 가연물접촉주의

(4) 해당없음

[해설]

주의사항은 운반용기 외부에 붙이는 것과 제조소등에 세우는 게시판 두 가지가 따로 정해져 있고, 요구하는 항목의 수가 다르다. 운반용기 쪽이 더 자세하고, 게시판은 “물기엄금 · 화기주의 · 화기엄금” 세 가지 중에서만 쓴다. 그래서 제6류 위험물처럼 운반용기에는 표시할 것이 있어도 게시판에는 쓸 것이 없는 경우가 생긴다.

제5류는 분자 안에 산소를 품은 자기반응성 물질이라 불씨와 충격을 함께 막아야 하고, 제6류는 스스로 타지는 않지만 남을 태우는 산화성 액체이므로 가연물과 닿지 않게 하는 것이 핵심이다. 제6류 게시판이 비는 이유는 게시판에 쓸 수 있는 세 문구 가운데 산화성 액체에 맞는 것이 없기 때문이다.

① 질소($\mathrm{N_2}$)

② 아르곤($\mathrm{Ar}$)

③ 이산화탄소($\mathrm{CO_2}$)

[해설]

IG 계열은 자연계에 있는 기체만으로 만든 소화약제로, 연소면을 덮어 산소 농도를 낮추는 질식소화가 주된 작용이다. 오존층을 파괴하지 않고 잔여물도 남기지 않아 전기실·통신실처럼 물을 쓸 수 없는 공간에 쓰인다.

이름 뒤의 세 자리 숫자는 질소·아르곤·이산화탄소의 부피 조성비(%)를 10으로 나누어 반올림한 값을 차례로 적은 것이다. IG-541은 질소 52 % · 아르곤 40 % · 이산화탄소 8 %이므로 $52 \div 10 \approx 5$, $40 \div 10 = 4$, $8 \div 10 \approx 1$이 되어 541이 된다.

숫자만 외우려 하지 말고 “첫 자리는 질소, 둘째 자리는 아르곤, 셋째 자리는 이산화탄소”라는 순서를 잡아 두면 IG-55·IG-100까지 한꺼번에 정리된다.

(1) 해당 없음(따로 정해진 조건이 없다)

(2) 농도가 36 중량퍼센트(wt%) 이상인 것

(3) 비중이 1.49 이상인 것

[해설]

제6류 위험물(산화성 액체)은 지정수량이 300 kg이고, 품명마다 위험물로 보는 문턱이 다르다.

· 과염소산 $\mathrm{HClO_4}$ : 농도·비중 같은 단서가 붙지 않아 해당없음 — 그 자체로 제6류다.

· 과산화수소 $\mathrm{H_2O_2}$ : 농도가 36 중량퍼센트 이상인 것만 위험물이다. 시판 소독용(3 % 안팎)은 여기에 들지 않는다.

· 질산 $\mathrm{HNO_3}$ : 비중이 1.49 이상인 것만 위험물이다. 비중 1.49면 대략 발연질산에 가까운 진한 질산이다.

세 물질 모두 불연성이지만 강한 산화성이 있어 가연물과 섞이면 발화·폭발을 돕는다. 이 밖에 행정안전부령으로 정하는 할로젠간화합물(삼불화브로민, 오불화브로민, 오불화아이오딘 등)도 제6류에 든다.

(1) 제1석유류 — 아세톤, 에틸벤젠

(2) 제2석유류 — 아세트산, 폼산, 클로로벤젠, 경유

(3) 제3석유류 — 글리세린, 나이트로벤젠, 나이트로톨루엔

[해설]

제4류 위험물의 석유류 구분은 1기압에서의 인화점으로 정해진다. 제1석유류는 인화점 21 ℃ 미만, 제2석유류는 21 ℃ 이상 70 ℃ 미만, 제3석유류는 70 ℃ 이상 200 ℃ 미만, 제4석유류는 200 ℃ 이상 250 ℃ 미만이다.

· 제1석유류 — 아세톤(인화점 -18 ℃, 수용성), 에틸벤젠(인화점 15 ℃, 비수용성)

· 제2석유류 — 클로로벤젠(27 ℃), 아세트산(40 ℃, 수용성), 폼산(55 ℃, 수용성), 경유(50 ~ 70 ℃)

· 제3석유류 — 나이트로벤젠(88 ℃), 나이트로톨루엔(106 ℃), 글리세린(160 ℃, 수용성)

폼산(개미산)과 아세트산(초산)은 이름이 비슷한 카복실산이고 둘 다 제2석유류다. 벤젠 고리에 나이트로기가 붙은 나이트로벤젠·나이트로톨루엔은 인화점이 크게 올라가 제3석유류로 가며, 글리세린도 인화점이 높은 수용성 제3석유류다. 클로로벤젠은 벤젠(제1석유류)과 달리 인화점이 21 ℃를 넘어 제2석유류인 점이 함정이다.

(가) $\mathrm{P_4S_3}$

(나) 100 kg

(다) 오황화인

(라) 100 kg

(마) $\mathrm{P_4S_7}$

(바) 조해성

(사) 100 kg

[해설]

황화인은 인과 황이 결합한 화합물로 제2류 위험물(가연성 고체)에 속하며, 세 가지 모두 위험등급 II · 지정수량 100 kg으로 같다. 시험에서 갈리는 것은 화학식과 조해성 여부다.

이름의 “삼·오·칠”은 황 원자의 수를 가리키지만 화학식이 규칙적으로 이어지지 않는다는 점이 함정이다. 삼황화인과 칠황화인은 인이 4개인 $\mathrm{P_4S_3}$·$\mathrm{P_4S_7}$인데 오황화인만 $\mathrm{P_2S_5}$로 쓴다. 그대로 외워 두는 편이 빠르다.

조해성이란 공기 중의 수분을 빨아들여 스스로 녹아 버리는 성질이다. 삼황화인은 찬물이나 염산에 녹지 않아 조해성이 없지만, 오황화인과 칠황화인은 조해성이 있어 물과 만나면 분해하며 황화수소($\mathrm{H_2S}$)와 인산($\mathrm{H_3PO_4}$)을 낸다. 황화수소는 가연성이면서 독성이 있으므로 물을 이용한 소화는 피하고 건조사·이산화탄소로 질식소화한다.

$\mathrm{P_2S_5} + 8\mathrm{H_2O} \rightarrow 5\mathrm{H_2S} + 2\mathrm{H_3PO_4}$

연소하면 세 가지 모두 오산화인과 아황산가스를 낸다.

$\mathrm{P_4S_3} + 8\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{P_2O_5} + 3\mathrm{SO_2}$

$2\mathrm{P_2S_5} + 15\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{P_2O_5} + 10\mathrm{SO_2}$

① 칼륨

② 나트륨

③ 황린

[해설]

제3류 위험물(자연발화성 물질 및 금수성 물질)의 위험등급은 지정수량으로 갈린다. 지정수량이 작을수록 위험등급이 높다.

즉 위험등급 I 에 해당하는 품명은 칼륨·나트륨·알킬알루미늄·알킬리튬·황린 다섯 가지이며, 이 중 세 가지를 쓰면 된다. 지정수량 10 kg짜리 네 품명과 20 kg인 황린을 한 묶음으로 외워 두면 편하다.

(1) $2\mathrm{CH_3OH} + 3\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{CO_2} + 4\mathrm{H_2O}$

(2) 60,000 g

[해설]

① 반응식 — 메탄올의 탄소 1개는 $\mathrm{CO_2}$ 1개, 수소 4개는 $\mathrm{H_2O}$ 2개가 된다. 계수를 정수로 맞추기 위해 메탄올을 2로 두면 오른쪽 산소 원자 수가 $2 \times 2 + 4 = 8$개인데 왼쪽 메탄올이 산소 2개를 이미 가지고 있으므로 필요한 산소 분자는 3개다.

$2\mathrm{CH_3OH} + 3\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{CO_2} + 4\mathrm{H_2O}$

② 메탄올의 질량 — 비중 0.8은 1 L의 무게가 0.8 kg이라는 뜻이다.

$0.8\,\mathrm{kg/L} \times 50\,\mathrm{L} = 40\,\mathrm{kg} = 40{,}000\,\mathrm{g}$

③ 몰수 — 메탄올의 분자량은 $12 + 1 \times 4 + 16 = 32$이므로

$\dfrac{40{,}000}{32} = 1{,}250\,\mathrm{mol}$

④ 이론산소량 — 반응식에서 메탄올 2 mol에 산소 3 mol이 대응하므로 산소는 $1{,}250 \times \dfrac{3}{2} = 1{,}875\,\mathrm{mol}$이고, 산소의 분자량은 32이므로

$1{,}875 \times 32 = 60{,}000\,\mathrm{g}$

따라서 필요한 이론산소량은 60,000 g(= 60 kg)이다.

비례식으로 한 번에 풀어도 같다. 메탄올 $2 \times 32\,\mathrm{g}$에 산소 $3 \times 32\,\mathrm{g}$이 대응하므로 $\dfrac{40{,}000 \times 3 \times 32}{2 \times 32} = 60{,}000\,\mathrm{g}$이다.

이 문제에서 자주 나오는 실수는 단위 환산이다. kmol 단위로 계산하면 $1.875\,\mathrm{kmol} \times 32 = 60\,\mathrm{kg}$이 나오므로 여기서 1,000을 곱해 g으로 바꿔야 하는데, 이 단계를 빼먹고 바로 60,000 g이라고 적으면 답은 맞아도 과정이 어긋난다. 답의 단위가 g인지 kg인지 마지막에 반드시 확인하자.

16.54 $\mathrm{m^3}$

[해설]

탱크의 내용적 공식은 모양마다 다르다. 양쪽 경판이 볼록한 횡형 원통형 탱크는 가운데 동체의 부피에 두 경판의 부피를 각각 3분의 1씩 더한 값으로 본다.

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

여기서 $r$은 단면의 반지름, $l$은 동체의 길이, $l_1$·$l_2$는 좌우 경판의 길이다. 주어진 값을 대입하면

$V = 3.14 \times 1^2 \times \left(5 + \dfrac{0.4 + 0.4}{3}\right) = 3.14 \times 5.2667 = 16.537$

이므로 내용적은 16.54 $\mathrm{m^3}$이다.

발문이 $\pi = 3.14$를 못 박은 이유가 있다. 정확한 원주율을 쓰면 16.5457이 되어 반올림 값이 16.55로 갈리기 때문이다. 이런 문항은 주어진 원주율을 그대로 따라야 채점 값과 맞는다.

탱크가 가로로 놓였든 세로로 놓였든 경판이 없이 양 끝이 평평하면 $V = \pi r^2 l$만 쓰면 된다. 또 내용적과 용량은 다른 값이다. 용량은 내용적에서 공간용적(보통 내용적의 5~10 %)을 뺀 것이므로, 문제가 무엇을 물었는지 확인하고 답해야 한다.

과산화칼륨, 질산암모늄, 과망가니즈산칼륨, 다이크로뮴산칼륨 — [보기] 네 가지 모두

[해설]

[보기]의 네 물질은 모두 제1류 위험물(산화성 고체)이다. 제1류 위험물은 분자 안에 산소를 품고 있어서 가열하면 그 산소를 내놓으며 분해하고, 이렇게 나온 산소가 주위의 가연물을 태우기 때문에 “스스로는 타지 않으나 남을 태우는” 물질로 분류된다. 따라서 네 가지가 모두 정답이다.

각각의 열분해 반응식은 다음과 같다.

① 과산화칼륨 $2\mathrm{K_2O_2} \rightarrow 2\mathrm{K_2O} + \mathrm{O_2}$

② 질산암모늄 $2\mathrm{NH_4NO_3} \rightarrow 2\mathrm{N_2} + 4\mathrm{H_2O} + \mathrm{O_2}$

③ 과망가니즈산칼륨 $2\mathrm{KMnO_4} \rightarrow \mathrm{K_2MnO_4} + \mathrm{MnO_2} + \mathrm{O_2}$

④ 다이크로뮴산칼륨 $4\mathrm{K_2Cr_2O_7} \rightarrow 4\mathrm{K_2CrO_4} + 2\mathrm{Cr_2O_3} + 3\mathrm{O_2}$

“모두 고르시오” 형태의 문제에서 [보기]가 전부 제1류 위험물로만 채워져 있으면 답이 전부가 되는 경우가 많다. 반대로 제1류가 아닌 물질이 섞여 있는지, 특히 알칼리금속의 과산화물처럼 물과 만나도 산소를 내는 것과 열을 받아야 산소를 내는 것을 구분해서 묻는지도 살펴야 한다. 참고로 과산화칼륨은 물과 반응해도 산소를 내므로($2\mathrm{K_2O_2} + 2\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{KOH} + \mathrm{O_2}$) 주수소화를 하면 안 된다.