2020년 위험물기능사실기(필답형) 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

(1) $\mathrm{CH_2ClBr}$

(2) $\mathrm{CF_2ClBr}$

(3) $\mathrm{CF_3Br}$

(4) $\mathrm{C_2F_4Br_2}$

[해설]

할론 번호는 앞자리부터 C·F·Cl·Br 원자 수를 차례로 나타낸다. 탄소의 결합수(탄소 1개당 4)가 남으면 그 자리는 수소가 채운다.

• 할론 1011 — C 1, Cl 1, Br 1이고 남은 결합 2개를 수소가 채워 CH₂ClBr이다.
• 할론 1211 — C 1, F 2, Cl 1, Br 1이라 CF₂ClBr이다.
• 할론 1301 — C 1, F 3, Br 1이라 CF₃Br이다.
• 할론 2402 — C 2, F 4, Br 2라 C₂F₄Br₂이다.

혼동 주의: 네 가지 가운데 수소가 붙는 것은 1011뿐이다. 나머지는 할로젠만으로 탄소의 결합이 모두 찬다.

① 0.3

② 0.5

③ 1.0

[해설]

능력단위는 소화설비가 얼마만큼의 화재를 감당할 수 있는지를 나타내는 기준 단위다. 앞서 정한 소요단위(불이 날 대상의 규모)와 짝을 이루어, 소요단위에 맞는 능력단위의 소화설비를 갖추도록 하는 데 쓰인다. 물통이나 마른 모래처럼 간단한 기구는 아래와 같이 용량별로 능력단위가 정해져 있다.

용량과 능력단위가 비례하지 않는다는 점이 함정이다. 물통은 8 L에 0.3이지만 물통 3개가 딸린 80 L짜리 수조는 1.5, 6개가 딸린 190 L짜리는 2.5로 뛴다. 마른 모래는 50 L에 0.5, 팽창질석·팽창진주암은 160 L에 1.0으로 간이소화용구 가운데 가장 크다.

마른 모래와 팽창질석은 삽이 딸려 있어야 표의 값을 인정받는다. 이들은 금수성 물질처럼 물을 쓸 수 없는 화재에 덮어 씌워 질식소화하는 용도로 쓰인다.

(1) $\mathrm{Zn + 2H_2O \rightarrow Zn(OH)_2 + H_2}$

(2) 수소

[해설]

아연은 제2류 위험물인 금속분에 해당하는 양쪽성 금속으로, 물(특히 고온의 수증기)과 반응해 수산화아연과 수소를 낸다.

$\mathrm{Zn + 2H_2O \rightarrow Zn(OH)_2 + H_2}$

산과도 반응한다. 염산과는 $\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2}$, 황산과는 $\mathrm{Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2}$ 로 어느 쪽이든 수소 가 발생한다.

발생한 수소는 폭발범위가 넓어 화재·폭발 위험이 크므로, 금속분 화재에는 주수소화를 하지 않고 마른모래 등으로 질식소화한다.

(1) 트라이나이트로페놀(피크르산)

(2) 100 kg

(3) 벤젠 고리의 1번 자리에 $-\mathrm{OH}$, 2·4·6번 자리에 $-\mathrm{NO_2}$가 붙은 구조 — $\mathrm{C_6H_2(NO_2)_3OH}$

[해설]

물질 특정 — 제5류 나이트로화합물이면서 쓴맛과 독성을 지니고, 찬물에는 거의 녹지 않지만 알코올·에터·온수에는 녹는 물질은 트라이나이트로페놀이다. 쓴맛에서 이름을 딴 피크르산이 같은 물질의 다른 이름이므로 어느 쪽으로 답해도 된다. 분자량 조건도 들어맞는다.

$12 \times 6 + 1 \times 2 + (14 + 16 \times 2) \times 3 + 16 + 1 = 72 + 2 + 138 + 17 = 229$

지정수량 — 개정된 시행령은 제5류 위험물의 지정수량을 품명이 아니라 자기반응성 시험 결과에 따라 제1종 10 kg / 제2종 100 kg으로 나누어 정한다. 즉 “트라이나이트로페놀”이라는 이름만으로는 지정수량이 정해지지 않고, 종 구분이 있어야 확정된다. 이 문제는 제2종이라는 단서를 주었으므로 100 kg이다. 같은 문항의 답을 10 kg으로 싣는 교재도 있는데 그것은 제1종으로 본 것이고, 개정 전 기준으로는 나이트로화합물의 지정수량이 200 kg이었다.

구조식 — 페놀의 벤젠 고리에서 하이드록시기가 붙은 자리를 1번으로 잡고, 그 반대편과 양옆인 2·4·6번 자리에 나이트로기가 하나씩 결합한다.

화학식은 $\mathrm{C_6H_2(NO_2)_3OH}$로 쓰며, 하이드록시기를 앞세워 $\mathrm{C_6H_2OH(NO_2)_3}$로 적어도 같은 물질이다.

성질과 취급 — 광택 있는 담황색 결정이고 착화점은 약 300 ℃다. 단독으로는 타격에 비교적 둔감하지만, 철·구리·납 등 금속과 반응해 생기는 피크르산염은 마찰·충격에 매우 예민해져 폭발 위험이 커진다. 그래서 금속 용기를 피하고, 건조 상태보다 물기를 머금은 상태로 저장한다.

① 100

② 50

③ 150

④ 75

⑤ 10

[해설]

소요단위는 소화설비를 얼마나 갖춰야 하는지를 따지기 위해, 불이 날 대상의 규모를 하나의 잣대로 환산한 단위다. 앞의 능력단위와 짝을 이룬다. 같은 면적이라도 외벽이 내화구조면 불이 옆으로 번지기 어려우므로 기준 면적을 두 배로 잡아 준다.

저장소는 사람이 작업하는 제조소·취급소보다 위험이 작다고 보아 같은 조건에서도 기준 면적이 1.5배 넉넉하다. 즉 100 → 150, 50 → 75로 커진다.

옥외에 설치된 공작물은 외벽이 내화구조인 것으로 보고, 최대 수평투영면적을 연면적으로 삼아 위 기준을 그대로 적용한다. 예를 들어 외벽이 내화구조인 저장소 건축물의 연면적이 600 m²라면 $\dfrac{600}{150} = 4$소요단위가 되고, 지정수량의 100배를 저장한다면 $\dfrac{100}{10} = 10$소요단위가 된다.

(1) $2\mathrm{KMnO_4} \rightarrow \mathrm{K_2MnO_4} + \mathrm{MnO_2} + \mathrm{O_2}$

(2) 16 g

[해설]

과망가니즈산칼륨은 제1류 위험물(과망가니즈산염류)이다. 가열하면 망가니즈산칼륨과 이산화망가니즈가 남고 산소가 나온다.

2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

계수비가 곧 몰비이므로 KMnO₄ 2 mol이 분해되면 O₂ 1 mol(32 g)이 생긴다.
1 mol × 1/2 × 32 g/mol = 16 g

(1) 3.2 mm 이상

(2) 1.6 mm 이상

(3) 2.3 mm 이상

[해설]

이동탱크저장소는 달리는 도중 충돌·전복될 수 있으므로 본체와 부속장치의 강판 두께를 따로 정해 두고 있다. 숫자는 3.2 · 2.3 · 1.6 세 가지뿐이다.

칸막이는 탱크 내부를 4,000 L 이하마다 나누어, 한 칸이 새더라도 한꺼번에 쏟아지지 않게 하고 액체가 앞뒤로 쏠리는 것을 줄인다. 방파판은 한 구획마다 2개 이상을 진행 방향과 나란히 설치해 출렁임을 잡는다. 방호틀은 부속장치를 감싸는 틀로, 정상부분을 부속장치보다 50 mm 이상 높게 만들어 전복 시 부속장치가 먼저 부딪히지 않도록 한다.

세 가지를 견주면 본체에 가까울수록 두껍다고 기억하면 된다 — 본체·칸막이·측면틀 3.2 mm, 방호틀 2.3 mm, 액체를 막는 정도면 되는 방파판 1.6 mm 순이다.

(1) 509.09 L

(2) 508.77 L

[해설]

CO₂의 분자량은 44이므로 1 kg(1,000 g)은 1,000/44 = 22.73 mol이다.

기체 1 mol의 부피를 22.4 L로 보는 방법
V = (1,000/44) × 22.4 = 509.09 L

이상기체 상태방정식 PV = (w/M)RT를 쓰는 방법
V = wRT/(PM) = (1,000 × 0.082 × 273)/(1 × 44) = 508.77 L

두 값이 조금 다른 것은 기체상수 R을 0.082로 반올림해 썼기 때문이다. 문제에서 지정한 방법대로 풀면 된다.

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

(2) 농도가 36 wt% 이상인 것

[해설]

질소와 물만 남는다는 조건에서 상대 물질을 찾을 수 있다. 제6류 위험물 가운데 수소와 산소만으로 이루어진 것은 과산화수소($\mathrm{H_2O_2}$)뿐이다. 질산이나 과염소산이라면 생성물에 질소산화물이나 염소 화합물이 섞여 나온다.

반응식 — 하이드라진이 환원제, 과산화수소가 산화제 노릇을 한다. 왼쪽의 수소 원자 수가 $4 + 4 = 8$개이므로 물은 4분자가 되고, 산소 원자 4개가 그대로 물로 넘어간다.

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

이 조합은 열과 기체를 순간적으로 크게 내놓아 로켓 추진제로 쓰일 만큼 격렬하다. 그래서 두 물질을 같은 장소에 저장하지 않는다.

제6류의 기준 — 제6류 위험물은 물질 이름만으로 정해지지 않고 아래와 같이 농도·비중 기준을 넘는 것만 위험물로 다룬다.

따라서 답은 농도가 36 wt% 이상인 것이다. 제6류의 지정수량은 품명과 관계없이 300 kg으로 같다.

참고로 하이드라진 자체는 제6류가 아니라 제4류 제2석유류(수용성)에 해당한다. 과산화수소는 분해를 막기 위해 인산이나 요산 같은 안정제를 넣고, 분해될 때 나오는 산소가 빠져나갈 수 있도록 용기 마개에 구멍을 뚫어 보관한다.

(1) 130 이상

(2) 100 초과 130 미만

(3) 100 이하

[해설]

아이오딘값은 유지 100 g에 흡수되는 아이오딘의 g수를 말한다. 분자 안의 이중결합(불포화결합)이 많을수록 아이오딘을 많이 붙일 수 있어 값이 커지고, 그만큼 공기 중 산소와도 잘 결합해 산화열이 쌓이면 자연발화할 위험이 높아진다.

경계가 되는 값은 100과 130 두 개다. 건성유를 “130 이상”, 불건성유를 “100 이하”로 잡으므로 그 사이인 반건성유는 100 초과 130 미만이 된다. 반건성유를 “100~130”으로 적은 표를 실은 교재가 있는데, 그렇게 쓰면 경계값 100과 130이 두 구분에 겹쳐 들어가므로 정확한 표기가 아니다.

동식물유류는 1기압에서 인화점이 250 ℃ 미만인 동물·식물의 기름으로 제4류 위험물에 속하고 지정수량은 10,000 L다. 건성유가 스며든 헝겊이나 톱밥을 쌓아 두면 산화열이 빠져나가지 못해 자연발화하는 사고가 잦으므로 따로 모아 폐기한다.

(1) $V = \pi r^2 l = \pi \times 5^2 \times 10 = 785.398$

(2) 785.40 m³

[해설]

탱크의 내용적은 모양에 따라 공식이 다르다. 세로로 세운 원통형 탱크와, 양 끝이 평평한 가로형 원통형 탱크는 모두 밑면적에 길이를 곱한 값으로 본다.

여기서 $r$는 단면의 반지름, $l$은 동체(원통부)의 길이, $l_1$·$l_2$는 양쪽 경판의 길이다. 이 문제는 세워 놓은 원통이므로 첫 번째 식을 그대로 쓴다.

$V = \pi \times 5^2 \times 10 = 250\pi = 785.398 \rightarrow 785.40\,\mathrm{m^3}$

따라서 내용적은 785.40 m³이다. 답을 L로 요구하면 $1\,\mathrm{m^3} = 1{,}000\,\mathrm{L}$이므로 785,400 L가 되니, 문제가 어떤 단위를 물었는지 반드시 확인한다.

한편 탱크의 용량은 내용적과 다르다. 용량은 내용적에서 공간용적을 뺀 값이고, 공간용적은 보통 내용적의 5~10 %로 잡는다. 소화약제 방출구를 탱크 윗부분에 설치한 경우에는 그 방출구 아래 0.3 m 이상 1 m 미만 사이의 면부터 윗부분의 용적을 공간용적으로 본다.

① 98

② 55

③ 공간용적

[해설]

액체는 온도가 오르면 부피가 늘어난다. 용기를 가득 채워 두면 여름철 운반 도중 액이 팽창해 용기가 부풀거나 터져 위험물이 새어 나온다. 그래서 내용적의 98 % 이하만 채우고, 온도가 55 ℃까지 올라가도 새지 않도록 나머지를 공간용적으로 비워 두게 한 것이다.

고체는 온도에 따른 부피 변화가 작아 95 %까지 채울 수 있고, 공기·물과 격렬하게 반응하는 알킬알루미늄등은 반응 여유를 더 두어 90 %로 더 엄격하다.

여기서 말하는 공간용적은 운반용기에 남겨 두는 빈 부분이다. 탱크의 내용적에서 빼는 공간용적(보통 내용적의 5~10 %)과는 쓰이는 자리가 다르니 구분해 두어야 한다.

(1) 32

(2) 1.10

[해설]

분자량 — 메탄올의 화학식은 $\mathrm{CH_3OH}$이므로 탄소 1개, 수소 4개, 산소 1개다.

$12 + 1 \times 4 + 16 = 32$ → 32

증기비중 — 증기비중은 그 증기가 같은 부피의 공기보다 몇 배 무거운지를 나타내며, 기체의 분자량을 공기의 평균 분자량 29로 나누어 구한다.

$\text{증기비중} = \dfrac{32}{29} = 1.1034 \rightarrow \mathbf{1.10}$

값이 1보다 크므로 메탄올 증기는 공기보다 무거워 바닥이나 낮은 곳에 깔린다. 새어 나온 증기가 멀리 떨어진 점화원까지 흘러가 불이 되돌아오는 사고가 이 때문에 생긴다.

액체 자체의 비중(0.79)과 증기비중(1.10)을 혼동하지 않도록 한다. 메탄올은 물보다 가벼운 액체이면서 공기보다 무거운 증기를 내는 물질이다.

메탄올은 제4류 알코올류로 지정수량 400 L, 인화점 약 11 ℃, 연소범위 약 6~36 vol%다. 독성이 커서 소량을 마셔도 실명할 수 있고, 연소할 때 불꽃이 거의 보이지 않아 화재를 알아채기 어렵다는 점도 함께 기억해 둔다.

(1) 300 kg

(2) 수산화칼슘, 아세틸렌

(3) $\mathrm{CaC_2} + \mathrm{N_2} \rightarrow \mathrm{CaCN_2} + \mathrm{C}$

[해설]

탄화칼슘(카바이드)은 위험물안전관리법 시행령 별표 1의 제3류 '칼슘 또는 알루미늄의 탄화물'에 해당하며, 지정수량은 300 kg이다.

물과 만나면 수산화칼슘(소석회)과 아세틸렌이 생긴다.
CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

약 700 ℃ 이상의 고온에서 질소와 반응하면 석회질소(칼슘사이안아마이드, CaCN₂)와 탄소가 생긴다.
CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C

(1) 1개부터 3개까지

(2) ① 1분자를 구성하는 탄소원자의 수가 1개부터 3개까지인 포화1가 알코올의 함유량이 60 wt% 미만인 수용액

② 가연성 액체량이 60 wt% 미만이고, 인화점 및 연소점이 에틸알코올 60 wt% 수용액의 인화점 및 연소점을 초과하는 것

[해설]

위험물안전관리법 시행령 별표 1은 알코올류를 1분자의 탄소원자 수가 1개부터 3개까지인 포화1가 알코올(변성알코올 포함)로 정의한다. 메틸·에틸·프로필알코올이 여기에 들고, 탄소가 4개인 뷰틸알코올부터는 석유류로 분류된다.

• 농도 기준 — 탄소수 1~3개인 포화1가 알코올의 함유량이 60 wt% 미만인 수용액은 위험성이 작아 알코올류에서 제외한다.
• 인화성 기준 — 가연성 액체량이 60 wt% 미만이면서 인화점과 연소점이 에틸알코올 60 wt% 수용액보다 높은 것도 제외한다.

외우는 요령: 제외 기준에 나오는 수치는 모두 60 wt%다.

(1) 50 kg

(2) 300 kg

(3) 1,000 kg

[해설]

제1류 위험물(산화성 고체)의 지정수량은 품명에 따라 50 kg·300 kg·1,000 kg 세 단계로 나뉜다. 분해되어 산소를 내놓는 힘이 셀수록, 즉 위험할수록 지정수량이 작아진다고 보면 외우기 쉽다.

따라서 아염소산염류는 50 kg, 질산염류는 300 kg, 다이크로뮴산염류는 1,000 kg이다.

대표 물질로 아염소산염류에는 아염소산나트륨($\mathrm{NaClO_2}$), 질산염류에는 질산칼륨($\mathrm{KNO_3}$)·질산암모늄($\mathrm{NH_4NO_3}$), 다이크로뮴산염류에는 다이크로뮴산칼륨($\mathrm{K_2Cr_2O_7}$)·다이크로뮴산암모늄이 있다. 제1류는 그 자체는 타지 않지만 가열·충격을 받으면 산소를 내어 다른 물질의 연소를 크게 돕는다는 점이 공통이다.

(1) 메테인

(2) 수소

(3) 포스핀(인화수소)

(4) 아세틸렌

(5) 수소

[해설]

다섯 물질 모두 제3류 위험물(금수성 물질)이다. 물과 만나면 금속과 짝을 이룬 상대에 따라 나오는 가연성 가스가 정해진다.

• 탄화알루미늄은 탄화물이라 탄소가 하나씩 떨어져 나가 메테인이 된다.
  Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄
• 리튬은 알칼리금속 홑원소라 물속 수소를 밀어내 수소가 나온다.
  2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂
• 인화알루미늄은 인화물이라 포스핀(인화수소)이 나오는데, 포스핀은 맹독성 가연성 가스다.
  AlP + 3H₂O → Al(OH)₃ + PH₃
• 탄화리튬은 C₂ 단위가 삼중결합을 유지한 채 빠져나와 아세틸렌이 된다.
  Li₂C₂ + 2H₂O → 2LiOH + C₂H₂
• 수소화칼륨은 수소화물이라 수소가 나온다.
  KH + H₂O → KOH + H₂

외우는 요령: 금속과 수소화물은 수소, 인화물은 포스핀이 나온다. 탄화물은 Al₄C₃면 메테인, C₂를 가진 탄화물이면 아세틸렌이 나온다.

(1) $\mathrm{C_7H_5N_3O_6}$ → $12 \times 7 + 1 \times 5 + 14 \times 3 + 16 \times 6 = 84 + 5 + 42 + 96 = 227$

(2) 227 g/mol

[해설]

트라이나이트로톨루엔은 톨루엔의 벤젠 고리 2·4·6 자리에 나이트로기가 붙은 물질로, 시성식은 $\mathrm{C_6H_2(NO_2)_3CH_3}$, 분자식으로 정리하면 $\mathrm{C_7H_5N_3O_6}$이다.

원자 수 세기 — 탄소는 고리의 6개에 메틸기 1개를 더해 7개, 수소는 고리에 남은 2개에 메틸기의 3개를 더해 5개, 나이트로기 3개에서 질소 3개와 산소 6개가 나온다.

따라서 분자량은 227 g/mol이다. 나이트로기를 $(\mathrm{NO_2})$ 덩어리로 묶어 $[14 + 16 \times 2] \times 3 = 138$로 먼저 셈한 뒤 $72 + 2 + 12 + 3 + 138 = 227$로 풀어도 값은 같다 — 항을 묶는 방법만 다를 뿐이다.

TNT는 담황색 침상결정으로 물에는 녹지 않고 아세톤·벤젠·에터에 녹으며, 충격·마찰에 비교적 둔감해 폭약으로 쓰인다. 급격히 분해할 때는 $2\mathrm{C_6H_2(NO_2)_3CH_3} \rightarrow 12\mathrm{CO} + 2\mathrm{C} + 3\mathrm{N_2} + 5\mathrm{H_2}$와 같이 다량의 기체를 내놓는다. 품명은 제5류 나이트로화합물이며, 지정수량은 자기반응성 시험 결과에 따라 제1종 10 kg·제2종 100 kg으로 갈린다.

(1) $4\mathrm{P} + 5\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{P_2O_5}$

(2) 오산화인

(3) 백색

[해설]

적린(P)은 제2류 위험물(가연성 고체)이다. 태우면 인이 산소와 결합해 오산화인만 생긴다.

4P + 5O₂ → 2P₂O₅

• 반응식은 오른쪽 산소 원자가 2×5=10개이므로 O₂ 5분자로 계수를 맞춘다.
• 오산화인은 흡습성이 매우 큰 고운 분말이라 공기 중 수분을 빨아들이며 떠올라 흰 연기처럼 보인다.
• 연기가 흰 까닭은 오산화인 자체가 백색 고체이기 때문이다.

혼동 주의: 황린(P₄)도 P₄ + 5O₂ → 2P₂O₅로 같은 오산화인을 만든다.

글리세린, 아크릴산

[해설]

두 가지 조건을 동시에 만족해야 한다. 액체의 비중이 1보다 커야(물보다 무거워야) 하고, 물에 녹아야(수용성이어야) 한다. 하나만 맞아서는 답이 아니다.

아세톤과 벤젠은 물에 뜨므로 첫 조건에서 걸린다. 이황화탄소와 클로로벤젠은 물보다 무겁지만 물에 녹지 않아 둘째 조건에서 걸린다. 두 조건을 다 넘는 것은 글리세린과 아크릴산이다.

클로로벤젠의 비중을 1.34로 실은 자료가 있으나 실제 값은 1.11 부근이다. 어느 값이든 물보다 무겁고 비수용성이라는 사실은 같아 정답은 바뀌지 않는다.

덧붙여 이황화탄소는 물보다 무겁고 물에 녹지 않는 성질을 그대로 이용해 물속에 잠겨 저장한다. 발화점이 약 100 ℃로 매우 낮아 증기가 새어 나가지 않게 막는 것이 핵심이기 때문이다.