2020년 위험물기능사실기(필답형) 4회차 기출문제 정답·해설 페이지

(1) 벤젠 고리에 카보닐기가 붙은 벤조일기 두 개가 과산화 결합 $\mathrm{-O-O-}$ 으로 이어진 구조 — $\mathrm{C_6H_5{-}CO{-}O{-}O{-}CO{-}C_6H_5}$

(2) 242

[해설]

과산화벤조일(벤조일퍼옥사이드)은 제5류 위험물 중 유기과산화물에 속하는 무색·무취의 결정이다. 분자식은 $\mathrm{(C_6H_5CO)_2O_2}$, 곧 $\mathrm{C_{14}H_{10}O_4}$ 이다.

구조는 벤젠 고리 두 개가 각각 카보닐기($\mathrm{C{=}O}$)를 거쳐 산소 두 개가 이어진 과산화 결합($\mathrm{-O-O-}$)으로 연결된 형태다. 유기과산화물의 위험성은 바로 이 $\mathrm{-O-O-}$ 결합에서 나온다. 결합력이 약해 열·충격·마찰에 쉽게 끊어지면서 산소 라디칼을 내놓고, 그 자체가 산소를 품고 있어 공기가 없어도 자기연소한다.

분자량은 원자량을 그대로 더해 구한다(C 12, H 1, O 16).

$M = 12 \times 14 + 1 \times 10 + 16 \times 4 = 168 + 10 + 64 = \mathbf{242}$

벤조일기 하나($\mathrm{C_6H_5CO}$)를 105 로 먼저 셈해 $105 \times 2 + 16 \times 2 = 242$ 로 풀어도 결과는 같다. 따라서 분자량은 242 다.

건조한 상태에서는 폭발 위험이 커지므로 물이나 프탈산다이메틸 같은 희석제로 습윤시켜 저장하고, 직사광선과 마찰·충격을 피한다. 소화는 다량의 물로 냉각시키는 것이 효과적이다.

① 질식소화

② 냉각소화

[해설]

이산화탄소 소화기는 질식과 냉각 두 작용으로 불을 끈다.

• 질식소화 — 공기보다 무거운 CO₂가 화면을 덮어 산소 농도를 약 15 % 이하로 낮춘다.
• 냉각소화 — 액화 CO₂가 방출되며 기화할 때 주위의 열(증발잠열)을 빼앗는다.

혼동 주의: 냉각 효과는 물이 아니라 액화 이산화탄소의 기화열에서 나온다.

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

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

(3) 금속분

[해설]

알루미늄분은 제2류 위험물이며 산소·산과 모두 잘 반응하는 활성 금속이다.

• 연소하면 흰 산화알루미늄 가루가 생겨 흰 연기로 보이며, Al 4개와 O 6개를 맞추면 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃이 된다.
• 이온화 경향이 수소보다 커서 염산의 수소를 밀어내며, 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂로 염화알루미늄과 수소가 생긴다.
• 품명은 알칼리금속·알칼리토금속·철·마그네슘 외의 금속 분말이므로 금속분(지정수량 500 kg)이다.

혼동 주의: 구리분·니켈분과 150 μm 체를 통과하는 것이 50 wt% 미만인 것은 금속분에서 빠진다. 알루미늄분은 물과도 반응해 수소를 내므로 물로 끄면 안 된다.

① 인화성

② 발화성

③ 지정수량

[해설]

위험물안전관리법 제2조(정의)의 문장이다.

위험물은 인화성 또는 발화성 등의 성질을 가진 것으로서 대통령령으로 정하는 물품이다. 지정수량은 유별 위험성을 고려해 대통령령으로 정한 수량으로, 제조소등 설치허가의 최저 기준이 된다.

위험성이 클수록 지정수량이 작다(특수인화물 50 L, 제4석유류 6,000 L).

(1) 에테인($\mathrm{C_2H_6}$)

(2) $\mathrm{2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O}$

[해설]

트라이에틸알루미늄 (C₂H₅)₃Al은 제3류 위험물 중 알킬알루미늄으로, 물과 만나면 에틸기가 물의 수소를 받아 에테인(C₂H₆)으로 떨어져 나온다.
(C₂H₅)₃Al + 3H₂O → Al(OH)₃ + 3C₂H₆

에테인이 완전연소하면 CO₂와 H₂O가 되며, 필요한 산소가 3.5분자로 나오므로 전체에 2를 곱해 정수로 맞춘다.
2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O

혼동 주의 — 물의 계수를 1로 쓴 반응식은 수소 수가 맞지 않으므로 물의 계수는 3H₂O로 외운다.

(1) 제1류 — 혼재 가능 제6류 / 혼재 불가 제2류·제3류·제4류·제5류

(2) 제2류 — 혼재 가능 제4류·제5류 / 혼재 불가 제1류·제3류·제6류

(3) 제3류 — 혼재 가능 제4류 / 혼재 불가 제1류·제2류·제5류·제6류

(4) 제4류 — 혼재 가능 제2류·제3류·제5류 / 혼재 불가 제1류·제6류

(5) 제5류 — 혼재 가능 제2류·제4류 / 혼재 불가 제1류·제3류·제6류

(6) 제6류 — 혼재 가능 제1류 / 혼재 불가 제2류·제3류·제4류·제5류

[해설]

위험물안전관리법 시행규칙 별표 19(운반기준)의 혼재 기준으로, 지정수량의 1/10 이하에는 적용하지 않는다.

혼재 가능한 짝은 제1류-제6류, 제2류-제4류, 제2류-제5류, 제3류-제4류, 제4류-제5류 다섯 쌍뿐이다. 이 다섯 쌍에 들지 않는 조합은 모두 혼재 불가이다.

외우는 요령: 산화성인 제1류·제6류는 서로끼리만 싣고, 제4류가 제2·3·5류와 두루 어울린다.

(1) 아세톤

(2) $\mathrm{CH_3COCH_3}$

(3) 위험등급 II

[해설]

주어진 단서를 하나씩 맞춰 보면 물질이 좁혀진다. 분자량 58 은 $12 \times 3 + 1 \times 6 + 16 = 58$ 로 $\mathrm{C_3H_6O}$ 에 해당하고, 비중 0.79 로 물보다 가벼우며 비점이 56.5 ℃ 로 매우 낮다. 결정적인 단서는 아이오도폼 반응이다. 이 반응은 분자 안에 $\mathrm{CH_3CO-}$ 구조를 가진 물질이 아이오딘과 수산화칼륨을 만나 노란색 아이오도폼($\mathrm{CHI_3}$, 아이오딘폼·요오드포름) 침전을 만드는 것으로, 이 조건을 모두 만족하는 것은 아세톤이다. 시성식은 $\mathrm{CH_3COCH_3}$ 다.

아세톤은 제4류 위험물 중 제1석유류(수용성)로 지정수량은 400 L 이고, 제4류에서 특수인화물 다음으로 위험한 제1석유류·알코올류가 위험등급 II 에 해당한다.

물에도 유기용제에도 잘 녹는 무색 액체이며 특유의 냄새가 난다. 수용성이므로 화재 시 일반 포는 거품이 깨져 소용이 없고 알코올형 포를 써야 한다. 아세틸렌을 녹이는 성질이 있어 아세틸렌 용기의 용제로도 쓰인다.

$\mathrm{N_2H_4 + 2H_2O_2 \rightarrow N_2 + 4H_2O}$

[해설]

하이드라진은 강한 환원제, 과산화수소는 제6류의 강한 산화제라 접촉만으로 격렬히 반응한다.

N₂H₄ + 2H₂O₂ → N₂ + 4H₂O

생성물이 질소와 물뿐이고 많은 기체와 열이 한꺼번에 생겨 로켓 추진제로 쓴다. 검산: 양변 모두 N 2, H 8, O 4개다.

(1) $P = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.5 \times 0.082 \times 373}{2} = 7.65$

(2) 7.65 atm

[해설]

밀폐 용기 속 기체의 압력은 이상기체 상태방정식 PV = nRT로 구한다. 다이에틸에터 (C₂H₅)₂O는 분자량이 74이므로 37 g은 0.5 mol이다.

온도는 절대온도 373 K로 바꾸고, 기체상수는 R = 0.082 atm·L/(mol·K)를 쓴다.
P = nRT / V
P = 0.5 × 0.082 × 373 / 2
P = 7.65 atm

혼동 주의: 온도에 섭씨 100을 그대로 넣거나 몰수 대신 질량 37을 넣는 실수가 잦다.

②, ④, ⑤

[해설]

제4류 위험물의 지정수량은 위험물안전관리법 시행령 별표 1에 품명별로 정해져 있다. 보기의 물질이 어느 품명에 드는지부터 가려낸 뒤 법정 수량과 대조하면 된다.

따라서 옳게 짝지어진 것은 ②, ④, ⑤ 다.

틀린 두 개를 짚어 보자. 아마인유는 동식물유류로 지정수량이 10,000 L 인데 6,000 L 로 적혀 있다. 제4석유류(6,000 L)와 헷갈리기 쉬운 지점이다. 산화프로필렌은 발화점이 낮고 비점이 34 ℃ 로 매우 낮은 특수인화물이라 지정수량이 50 L 로 가장 적은데, 200 L 로 부풀려 적혀 있다.

제4류 지정수량은 특수인화물 50 L, 제1석유류 200 L(비수용성)·400 L(수용성), 알코올류 400 L, 제2석유류 1,000 L·2,000 L, 제3석유류 2,000 L·4,000 L, 제4석유류 6,000 L, 동식물유류 10,000 L 로 묶어 두면 이런 문항을 빠르게 처리할 수 있다.

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

(2) $\mathrm{C_2H_5OC_2H_5 + 6O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O}$

(3) $\mathrm{2CH_3COC_2H_5 + 11O_2 \rightarrow 8CO_2 + 8H_2O}$

(4) $\mathrm{CS_2 + 3O_2 \rightarrow CO_2 + 2SO_2}$

(5) $\mathrm{2C_6H_6 + 15O_2 \rightarrow 12CO_2 + 6H_2O}$

(6) $\mathrm{C_6H_5CH_3 + 9O_2 \rightarrow 7CO_2 + 4H_2O}$

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

[해설]

완전연소하면 탄소는 CO₂, 수소는 H₂O, 황은 SO₂가 된다. 필요한 O₂ 분자 수는 (생성물의 산소 원자 수 − 연료가 가진 산소 원자 수)÷2로 구하고, 분수가 나오면 식 전체에 2를 곱한다.

• 아세트알데하이드(C₂H₄O)는 산소가 2.5분자로 나와 식 전체에 2를 곱한다.
  2CH₃CHO + 5O₂ → 4CO₂ + 4H₂O
• 다이에틸에터(C₄H₁₀O)는 탄소 4, 수소 10이라 정수로 바로 맞는다.
  C₂H₅OC₂H₅ + 6O₂ → 4CO₂ + 5H₂O
• 메틸에틸케톤(C₄H₈O)은 산소가 5.5분자로 나와 식 전체에 2를 곱한다.
  2CH₃COC₂H₅ + 11O₂ → 8CO₂ + 8H₂O
• 이황화탄소(CS₂)는 수소가 없어 물 대신 SO₂ 2분자가 생긴다.
  CS₂ + 3O₂ → CO₂ + 2SO₂
• 벤젠(C₆H₆)은 산소가 7.5분자로 나와 식 전체에 2를 곱한다.
  2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O
• 톨루엔(C₇H₈)은 CO₂ 7분자와 H₂O 4분자를 만드므로 산소 9분자가 필요하다.
  C₆H₅CH₃ + 9O₂ → 7CO₂ + 4H₂O
• 메탄올(CH₃OH)은 산소가 1.5분자로 나와 식 전체에 2를 곱한다.
  2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O

혼동 주의: 일곱 가지 가운데 이황화탄소만 물이 생기지 않고, 대신 유독한 자극성 기체인 이산화황이 나온다.

톨루엔을 진한 황산 촉매 아래에서 진한 질산과 반응시켜(혼산에 의한 나이트로화) 만든다.

[해설]

제5류 위험물 중 나이트로화합물인 TNT는 톨루엔의 나이트로화 반응으로 만든다.

• 원료 톨루엔 — 벤젠 고리에 메틸기가 붙은 방향족 탄화수소다.
• 진한 질산 — 벤젠 고리에 나이트로기(-NO₂) 3개를 붙여 준다.
• 진한 황산 — 반응에 직접 들어가지 않는 촉매 겸 탈수제로, 생긴 물을 붙잡아 반응을 진행시킨다.

반응식은 다음과 같다.
C₆H₅CH₃ + 3HNO₃ → C₆H₂CH₃(NO₂)₃ + 3H₂O

혼동 주의: 페놀을 같은 혼산으로 나이트로화하면 TNT가 아니라 트라이나이트로페놀(피크르산)이 된다.

15.71 $\mathrm{m^3}$

[해설]

양쪽 경판이 볼록한 횡형 원통형 탱크는 원통부 부피에 양쪽 경판 길이의 1/3을 더해 내용적을 구한다.

$V = \pi r^2 \left(l + \dfrac{l_1 + l_2}{3}\right)$
$V = \pi \times 1^2 \times \left(4 + \dfrac{1.5 + 1.5}{3}\right) = \pi \times 5$
$V = 15.71\ \mathrm{m^3}$

그림의 1 m는 지름이 아니라 반지름이므로 r = 1 m로 대입한다. 내용적을 묻는 문제이므로 공간용적은 빼지 않는다.

① 70

② 1.5

③ 10

④ 기밀시험

⑤ 비파괴시험

[해설]

지하저장탱크는 땅에 묻고 나면 새는 곳을 눈으로 확인하기 어렵기 때문에, 묻기 전에 압력을 걸어 누설과 변형이 없는지 확인하도록 위험물안전관리법 시행규칙 별표 8에서 정하고 있다.

기준은 탱크의 종류에 따라 갈린다. 최대상용압력이 46.7 kPa 이상인 압력탱크는 최대상용압력의 1.5배 압력으로, 그 밖의 탱크는 70 kPa 의 압력으로 각각 10분간 수압시험을 한다. 시험 중 새거나 변형되지 않아야 한다.

다만 실제 현장에서 수압시험이 어려운 경우가 있어, 소방청장이 정하여 고시하는 기밀시험과 비파괴시험을 동시에 실시하면 수압시험을 대신할 수 있다. 두 시험 중 하나만 해서는 대체가 되지 않는다는 점이 자주 묻힌다.

탱크별 시험 기준을 견주면 다음과 같다.

지하저장탱크와 이동저장탱크는 70 kPa 로 같지만, 옥외저장탱크만 물을 가득 채우는 충수시험을 한다는 점이 다르다.

(1) $\mathrm{2K_2O_2 + 2CO_2 \rightarrow 2K_2CO_3 + O_2}$ 에서 $\mathrm{K_2O_2 : O_2 = 2 : 1}$ 이므로 $1\,\mathrm{mol} \times \dfrac{1}{2} \times 22.4 = 11.2$

(2) 11.2 L

[해설]

과산화칼륨(제1류 무기과산화물)은 이산화탄소와 반응해 탄산칼륨과 산소를 내놓는다.
2K₂O₂ + 2CO₂ → 2K₂CO₃ + O₂

과산화칼륨과 산소의 몰비는 2 : 1이므로 산소는 0.5 mol 생기고, 표준상태에서 기체 1 mol의 부피는 22.4 L다.
V = 1 mol × 1/2 × 22.4 L/mol
V = 11.2 L

혼동 주의: 몰비를 1 : 1로 보면 22.4 L가 나오므로 반응식의 계수를 먼저 확인한다.

아세트산, 폼산

[해설]

발문이 말하는 “1기압에서 인화점 21 ℃ 이상 70 ℃ 미만”은 곧 제2석유류의 정의다. 따라서 보기에서 제2석유류이면서 수용성인 것을 고르면 된다.

남는 것은 아세트산과 폼산 둘이다. 폼산은 포름산·의산으로도 불리는 같은 물질($\mathrm{HCOOH}$)이므로 어느 이름으로 답해도 된다.

나머지가 걸러지는 까닭은 이렇다. 나이트로벤젠은 인화점이 88 ℃ 라 제3석유류이고 물에 녹지 않는다. 글리세린은 물에 잘 녹지만 인화점이 160 ℃ 로 구간을 훌쩍 넘어 제3석유류다. 테레핀유는 인화점 35 ℃ 로 구간 안에 들지만 비수용성이라 “수용성” 조건에서 탈락한다. 두 조건 가운데 하나만 보고 고르면 틀리기 쉬운 문항이다.

참고로 석유류의 구분 기준은 인화점이다. 제1석유류는 21 ℃ 미만, 제2석유류는 21 ℃ 이상 70 ℃ 미만, 제3석유류는 70 ℃ 이상 200 ℃ 미만, 제4석유류는 200 ℃ 이상 250 ℃ 미만이다.

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

(2) $\mathrm{NH_4H_2PO_4 \rightarrow NH_3 + H_3PO_4}$

[해설]

분말소화약제는 열을 받으면 분해되면서 이산화탄소·수증기·암모니아 같은 기체를 내놓아 산소를 막고(질식), 분해에 열을 빼앗아 온도를 낮춘다(냉각). 주성분과 착색은 종별로 다음과 같다.

탄산수소칼륨은 제2종 분말소화약제로, 약 190 ℃ 에서 $\mathrm{2KHCO_3 \rightarrow K_2CO_3 + CO_2 + H_2O}$ 로 분해된다. 계수 2를 빠뜨리면 양변의 칼륨 수가 맞지 않으므로 주의한다. 더 높은 온도(약 590 ℃)에서는 $\mathrm{2KHCO_3 \rightarrow K_2O + 2CO_2 + H_2O}$ 로 2차 분해한다.

제1인산암모늄은 제3종 분말소화약제로, 약 190 ℃ 에서 $\mathrm{NH_4H_2PO_4 \rightarrow NH_3 + H_3PO_4}$ 로 분해되어 암모니아와 오쏘인산이 된다. 온도가 더 오르면 $\mathrm{2H_3PO_4 \rightarrow H_4P_2O_7 + H_2O}$(피로인산, 약 215 ℃), 이어서 $\mathrm{H_4P_2O_7 \rightarrow 2HPO_3 + H_2O}$(메타인산, 약 300 ℃)로 이어진다. 마지막에 생기는 메타인산이 타고 있는 물질의 표면에 유리막을 씌워 산소를 차단하기 때문에, 제3종만 일반화재(A급)에도 쓸 수 있다.

(1) 해당 없음

(2) 산소

(3) 산소

(4) 수소

(5) 수소

(6) 해당 없음

(7) 수소

(8) 수소

[해설]

제1류 중에서는 무기과산화물만 물과 반응해 산소를 낸다. 제3류 금수성 물질은 금속이든 금속의 수소화물이든 물과 반응해 수소를 낸다.

• 질산나트륨(질산염류)은 물에 녹기만 할 뿐 반응하지 않는다.
• 과산화나트륨은 물과 반응해 산소를 낸다.
  2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂
• 과산화마그네슘도 무기과산화물이라 물과 반응해 산소를 낸다.
  2MgO₂ + 2H₂O → 2Mg(OH)₂ + O₂
• 칼슘은 물과 반응해 수소를 낸다.
  Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂
• 칼륨은 물과 격렬히 반응해 수소를 내고, 이 수소가 반응열로 불붙기 쉽다.
  2K + 2H₂O → 2KOH + H₂
• 과염소산나트륨(과염소산염류)도 물에 녹기만 할 뿐 반응하지 않는다.
• 수소화나트륨과 수소화칼륨은 금속의 수소화물로, 물과 만나면 수소를 낸다.
  NaH + H₂O → NaOH + H₂
  KH + H₂O → KOH + H₂

혼동 주의: 물에 잘 녹는 것과 물과 반응하는 것은 다르다. 금수성 물질에는 물을 뿌리지 말고 마른모래 등으로 소화한다.

(1) 50 kg

(2) 50 kg

(3) 300 kg

(4) 300 kg

(5) 1,000 kg

[해설]

위험물안전관리법 시행령 별표 1에서 제1류(산화성 고체)의 지정수량은 50·300·1,000 kg 세 단계뿐이다.

• 염소산염류·무기과산화물 — 50 kg(아염소산염류·과염소산염류와 같은 그룹).
• 아이오딘산염류·질산염류 — 300 kg(브로민산염류와 같은 그룹).
• 다이크로뮴산염류 — 1,000 kg(과망가니즈산염류와 같은 그룹).

외우는 요령: 아염소산·염소산·과염소산·무기과산화물은 50, 브로민산·질산·아이오딘산은 300, 과망가니즈산·다이크로뮴산은 1,000으로 묶는다.

(1) 표면연소, 분해연소, 증발연소, 자기연소

(2) 증발연소

[해설]

고체의 연소는 “무엇이 실제로 타는가”에 따라 넷으로 나뉜다.

자기연소는 내부연소라고도 하며, 산소 공급을 끊는 질식소화가 듣지 않아 다량의 물로 냉각하는 것이 원칙이다.

황은 녹는점이 약 115 ℃ 로 낮아, 불이 붙기 전에 먼저 녹고 증발한다. 실제로 타는 것은 고체 표면이 아니라 이때 생긴 황 증기이므로 황의 연소형태는 증발연소다. 이때 $\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}$ 반응으로 자극성이 강한 이산화황이 생긴다.

참고로 액체의 연소는 증발연소가 기본이고, 기체는 확산연소·예혼합연소로 구분한다.