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23-2(제74회)벤젠의 수소 1개를 메틸기로 치환한 물질을 질산과 황… | 2023년 위험물기능장실기(필답형) 제74회 기출문제 상세 페이지

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23-2(제74회)

벤젠의 수소 1개를 메틸기로 치환한 물질을 질산과 황산으로 나이트로화하여 얻는 제5류 위험물이 있다. 담황색 결정인 폭발성 고체로, 직사광선을 오래 받으면 다갈색으로 변한다. 이 물질에 대하여 다음 물음에 답하시오.

㉮ 분해반응식을 쓰시오.

㉯ 이 물질에 들어 있는 질소의 함유량은 몇 wt%인지 구하시오.

㉰ 구조식을 쓰시오.

해설

2C6H2CH3(NO2)312CO+2C+3N2+5H22\mathrm{C_6H_2CH_3(NO_2)_3} \rightarrow 12\mathrm{CO} + 2\mathrm{C} + 3\mathrm{N_2} + 5\mathrm{H_2}

㉯ 18.50 wt%

㉰ 벤젠 고리의 1번 탄소에 메틸기(CH3\mathrm{CH_3}) 1개, 2·4·6번 탄소에 나이트로기(NO2\mathrm{NO_2}) 3개가 결합한 구조 — 트라이나이트로톨루엔 C6H2CH3(NO2)3\mathrm{C_6H_2CH_3(NO_2)_3}


[해설]

물질의 특정 — 벤젠의 수소 1개를 메틸기로 바꾸면 톨루엔이고, 톨루엔을 질산·황산(혼산)으로 나이트로화하면 트라이나이트로톨루엔(TNT)이 된다. 담황색 결정, 직사광선에 다갈색으로 변색, 제5류 자기반응성물질이라는 단서가 모두 여기에 맞는다.

C6H5CH3+3HNO3 H2SO4 C6H2CH3(NO2)3+3H2O\mathrm{C_6H_5CH_3} + 3\mathrm{HNO_3} \xrightarrow{\ \mathrm{H_2SO_4}\ } \mathrm{C_6H_2CH_3(NO_2)_3} + 3\mathrm{H_2O}

㉮ 분해반응식 — TNT는 산소평형이 크게 음(-)이어서 분해해도 이산화탄소까지 가지 못하고 일산화탄소와 유리 탄소(그을음)가 남는다.

2C6H2CH3(NO2)312CO+2C+3N2+5H22\mathrm{C_6H_2CH_3(NO_2)_3} \rightarrow 12\mathrm{CO} + 2\mathrm{C} + 3\mathrm{N_2} + 5\mathrm{H_2}

좌변 C 14개·H 10개·N 6개·O 12개, 우변 C(12 + 2) 14개·H 10개·N 6개·O 12개로 균형이 맞는다. 고체 2몰에서 기체 20몰이 한꺼번에 생기므로 폭굉이 된다.

㉯ 질소 함유량 — TNT의 분자식은 C7H5N3O6\mathrm{C_7H_5N_3O_6}이므로 분자량은

12×7+1×5+14×3+16×6=84+5+42+96=22712 \times 7 + 1 \times 5 + 14 \times 3 + 16 \times 6 = 84 + 5 + 42 + 96 = 227

1분자에 질소가 3개 들어 있으므로

14×3227×100=42227×100=18.5022\dfrac{14 \times 3}{227} \times 100 = \dfrac{42}{227} \times 100 = 18.502218.50 wt%

㉰ 구조식 — 벤젠 고리를 그리고 1번 탄소에 CH3\mathrm{CH_3}를, 2·4·6번 탄소에 NO2\mathrm{NO_2}를 각각 붙인다. 메틸기가 오쏘·파라 배향성 치환기이므로 나이트로기가 2·4·6 위치로 들어간다.

CH3NO2NO2NO2

TNT는 제5류 나이트로화합물로 물에 녹지 않고 아세톤·벤젠·에터에 녹으며, 폭발열이 크고 금속과 반응하지 않아 폭약으로 널리 쓰인다.

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