개념 한 쪽
화학물질의 발화특성, 연소범위, 산화제 여부 등은 화재·폭발·누출 사고에서 위험성을 판단하는 핵심 정보이다. 발화온도와 발화점은 서로 다른 개념이며 가연성 혼합가스의 폭발한계는 르 샤틀리에 법칙으로 계산한다. 물질의 물성치와 보관 방법은 사고 예방에 직접 연결된다.
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출제기준 단원 「위험성 표시」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 발화온도 비교 | 1 | 탄화수소 계열의 탄소수와 발화온도 관계를 판단 |
| 유류화재 용어 판별 | 1 | 증기밀도 등 연소 관련 용어 정의의 옳고 그름을 가림 |
| 혼합가스 LFL 계산 | 1 | 르 샤틀리에 법칙으로 혼합가스의 연소하한계를 계산함 |
발화온도는 물질이 스스로 타기 시작하는 최저 온도를 의미한다. 탄화수소 계열에서는 탄소 원자 수가 적을수록 발화온도가 높은 경향이 있으며, 재료에서는 메탄(CH4)의 발화온도가 약 537℃로 가장 높고 프로판(C3H8)은 약 470℃, 이소프탄(C5H12)은 약 420℃, 노르말 헥산(C6H14)은 약 225℃로 제시된다. 이 관계는 탄소 수 증가 시 발화온도가 하향하는 경향을 이해할 때 유용하다.
연소범위는 가연성 가스가 공기 중에서 착화·연소가 가능한 농도 범위를 의미한다. 메탄의 연소범위는 공기 중 5.0~15 vol%로 제시되며, 이 범위보다 낮거나 높으면 불이 붙지 않는다. 혼합 가스의 폭발하한계는 개별 성분의 하한치를 가중하여 르 샤틀리에 법칙으로 계산한다.
르 샤틀리에 법칙은 혼합가스의 연소하한계 LFLm에 대해 1/LFLm = Σ(Vi/LFLi)로 표현한다. 여기서 Vi는 혼합가스 내 각 성분의 체적분율, LFLi는 각 성분의 개별 하한계이다. 이 공식을 통해 서로 다른 가스의 비율로 구성된 혼합물의 LFL을 구할 수 있다.
연소에 관여하는 물질의 분류로 산화제와 가연물을 구분한다. 과산화나트륨은 분해 시 산소를 방출하는 산화제이며, 황린·칼륨·디에틸에테르 등은 가연물(환원제)에 해당한다. 또한 증기밀도는 물질 분자량을 공기 분자량(29)으로 나눈 값으로 정의된다.
물질의 다른 물성들도 보관 및 취급에 영향을 준다. 예컨대 황린은 발화점이 약 34℃로 낮아 공기 중에 노출되면 자연발화 위험이 있으므로 물속에 저장하여야 한다. 고분자 물질의 융점 예시로 폴리에틸렌 약 220℃, 폴리프로필렌 약 214℃, 폴리우레탄은 약 155℃ 이상에서 분해가 일어나며 폴리카보네이트는 약 267℃로 높은 내열성을 가진다. 도료 분류에서는 요로드값이 145 이상인 유류 계열에 안료를 혼합한 제품을 페인트로 본다.
혼합가스 LFL 계산 예시로 프로판이 전체의 절반, 메탄이 30%, 수소가 20% 비율로 섞인 경우 르 샤틀리에 법칙을 적용하여 1/LFLm = (0.5/2.1) + (0.3/5.0) + (0.2/4.0)로 계산하고 그 역수를 취하면 혼합가스의 LFL이 약 2.87vol%가 된다는 풀이가 제시된다.
다른 예로 메탄 40%, 에탄 30%, 프로판 30%의 혼합비에서 폭발하한계를 구할 때 1/LFLm = (0.4/5) + (0.3/3) + (0.3/2.1)로 계산한 뒤 역수를 취하면 약 3.1vol%가 된다는 풀이가 제시된다.
용어 판별 예시로 증기밀도에 관한 설명에서 증기밀도는 물질의 분자량을 공기의 분자량 29로 나눈 값이라는 점을 근거로 오답을 가려낼 수 있다는 설명이 제시된다.
다음 중 발화온도가 가장 높은 것은?
정답 ① · 발화점(발화온도)은 가스의 종류에 따라 다르며, 탄소 수가 많고 분자량이 클수록 일반적으로 발화점은 낮아지는 경향을 보입니다. 보기의 물질별 대략적인 발화점은 메탄이 약 537℃로 가장 높고, 프로판은 약 470℃ 전후, 노르말 헥산은 약 225℃, 이소프탄은 약 420℃ 수준입니다.
탄소 수가 적을수록 발화온도가 높아지는 경향이 있어 메탄이 가장 높다.
유류화재와 관련된 용어의 설명으로 틀린 것은?
정답 ③ · 문제는 유류화재 관련 용어 정의 중 틀린 것을 찾는 것이다. 증기밀도는 가연성 물질의 분자량을 공기의 분자량으로 나눈 값으로 정의되므로 보기의 분자식이 뒤바뀐 것은 잘못된 설명이다.
증기밀도는 가연성 물질 분자량을 공기 분자량으로 나눈 값이므로 3번이 틀렸다.
프로판 50vol%, 메탄 30vol%, 수소 20vol%의 조성으로 혼합된 가연성연료가 공기 중에 존재한다고 할 때 이 연료가스의 연소하한계(LFL)는 얼마인가? (단, 프로판의 LFL은 2.1vol%, 메탄의 LFL은 5vol%, 수소의 LFL은 4vol%이다.)
정답 ② · 혼합가연성가스의 연소하한계(LFL)는 르 샤틀리에의 법칙을 적용하여 계산할 수 있습니다. 공식은 '1/LFLm = (X1/LFL1) + (X2/LFL2) + (X3/LFL3)' 입니다.
혼합 가스의 연소하한계(LFL)는 르 샤틀리에 법칙을 이용해 각 성분의 체적분율을 해당 LFL로 나눈 값의 합을 역수하여 구한다.
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