아낌없이 주는 나무

1. 다음중 연소와 가장 관련이 있는 화학반응은 ? ①

   ① 산화반응        ② 환원반응         ③ 치환반응           ④ 증합반응

[풀이] 연소의 정의 : 연소란 빛과 열을 동반한 급격한 산화반응이다.

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2. 연소현상과 관계없는 것은 ? ④

   ① 부탄가스 라이터에 불을 붙였다.

   ② 황린을 공기 중에 방치했더니 불이 붙었다.

   ③ 알코올 램프에 불을 붙였다.

   ④ 공기중에 노출된 쇠못이 붉게 녹이 슬었다.

[풀이] 연소란 빛과 열을 수반하는 급격한 산화반응이다. 녹이 스는 것은 산화반응이지만 급격한 반응이 아니므로

          연소라고 하긴 어렵다.

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3. 보통 화재에서 암적색 불꽃의 온도는 몇 [℃] 정도인가 ? ②

   ① 525              ㉡ 750                  ③ 925                 ④ 1,075

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[풀이] 연소의 색과 온도

4. 연소의 3요소 [표면연소 (작열연소)]

   ① 가연물 (연료)          ② 산소공급원 (산소)          ③ 점화원 (온도)

   ※ 연소의 4요소 [불꽃연소]

       ▣ 가연물, 산소공급원, 점화원, 순조로운 연쇄반응

   ※ 표면연소 [작열연소] : 철은 불꽃에 가열하면 빨갛게 되는데 이것은 철의 표면에 연소되는 현상인데 이를 표면연소

                                          또는 작열연소라고 한다.

   ※ 목재의 연소 : 표면연소(훈소) → 불꽃연소 → 표면연소 → 표면연소 (훈소)

      ⊙ 표면연소는 가연성 기체가 발생하지 않기 때문에 나타나는 현상이다.

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가. 가연물의 구비조건 (연소하기 쉬운 조건)

  ① #열전도율 이 작을 것 (에너지(열) 축적이 쉬울 것)

    ⊙ 물질은 금속과 비금속이 있는데 일반적으로 비금속이 불에 잘 탄다. 그 이유는 비금속은 열전도율이 작기 때문에

         연소가 잘 된다.

  ② 발열량이 클 것 (연소열이 크다)

    ⊙ 발열량 : 탄소수가 적다 < 탄소수가 많다.

  ③ #활성화 #에너지 가 작을 것 (점화 에너지, 임계점이 낮을 것)

     ※ 활성화 에너지란 화학반응을 하기 위해서 필요로 하는 에너지로 활성화에너지가 작은 물질은 작은 에너지를

         가하더라도 쉽게 반응을 시작할 수 있다.

    ㉠ 활성화 에너지 : 프로판 < 가솔린 < 경유 < 목재

    ㉡ 활성화 에너지 : 탄소수가 적다 < 탄소수가 많다.

  ④ 산소와 친화력이 클 것

    ㉠ 산소와 친화력 : 금속(+이온) > 비금속 (-이온)

    ㉡ 산소와 친화력 : 1족 > 2족 > ··· > 6족 > 7족

  ⑤ #표면적 이 넓을 것 ( 고체 < 액체 < 기체) : 분자크기가 작을 수록

  ⑥ 연쇄반응을 일으킬 수 있을 것

  ⑦ 수분이 적을 것

  ⑧ 주위 온도가 높을 수록

      ⊙ 10[℃] 상승시 반응속도는 2~3배 빨라진다.

      ⊙ 50[℃] 상승시 : 25배 23배 빨라진다.

  ⑨ 주위 압력이 클수록

  ⑩ 화학적으로 불안정할 수록 : 반응성이 풍부할 수록

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가-1. 가연물이 될 수 없는 물질

  ① 화학적으로 안정된 물질으로 산소와 더 이상 화학반응할 수 없는 물질

  ② 불활성, 비활성기체 (8족, 0족)

  ③ 산화반응을 하는데 흡열반응을 하는 물질

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나. 산소공급원

  ▣ 가연물이 연소하기 위해서는 가연물이 산화반응을 하기 위한 산소가 필요하다.

       이 때 산소를 공급해 줄 수 있는 인자를 산소공급원이라고 하며 물질의 연소를 도와준다하여

       조연성 또는 지연성 가스라고 한다.

   ① 산소         ② 공기(바람)        ③ 산화계

   ④ 위험물 - 제1류 : 산화성 고체 : 질산나트륨, 과산화나트륨

                      제5류 : 자기반응성물질 (물질내부에 산소공급원을 충분히 가진 물질)

                      제6류 : 산화성액체 : 과산화 수소

   ⑤ 지연성 가스 (조연성 가스) : 산소, 불소, 염소, 오존

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   ※ 물질의 상태(고체, 액체, 기체)의 구분

       ⊙ 1기압(상압), 20[℃] (상온) 기준

   ※ 상태별 % 구분

      ⊙ 기체의 % : 체적 % = 압력 % = 몰 %

      ⊙ 액체, 고체의 % : 무게 % (중량 %, 질량 %)

​다. 점화원 (온도)

   ▣ 가연물이 연소하기 위해서는 가연물과 산소가 반응하게 하는 에너지가 필요로 하는데 이를 활성화 에너지,

        착화 에너지 또는 점화 에너지라고 한다.

   ▣ 에너지의 종류

      ① 화학적 에너지         ② 기계적 에너지           ③ 전기적 에너지

  [화학적 에너지] - 화학반응에 의하여 에너지가 발생

       ㉠ 연소열           ㉡ 자연발열            ㉢ 분해열            ㉣ 용해열

  [기계적 에너지]

       ㉠ 마찰열           ㉡ 스파크               ㉢ 압축열

  [전기적 에너지]

   ㉠ 저항가열     ㉡ 유도가열        ㉢ 유전가열        ㉣ 아크가열        ㉤ 정전기가열       ㉤ 분해에 의한 가열

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  [점화원이 될 수 있는 것]

     ① 불씨   ② 불꽃 ③ 고온표면   ④ 단열압축   ⑤ 마찰   ⑥ 충격   ⑦ 전기불꽃  ⑧ 복사열  ⑨ 자연발화  ⑩ 정전기

   * 단열압축 : 부피를 작게 하면 분자의 활동이 증가하여 분자간에 충돌이 많아지고 이로 인해 에너지가 증가하여

                       점화원이 될 수 있다.

   * 단열이란 말은 에너지의 출입이 없다는 말이다.

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   ※ 점화원이 될 수 없는 것

     ① 단열팽창

         * 단열팽창 : 부피가 커지면 분자활동이 감소하여 분자간 충돌이 작아져서 에너지가 감소하게 되어 점화원이 될 수

                             없다.

     ② 기화열 (증발열) : 기화를 하려면 에너지가 필요하므로 주변 에너지를 흡수한다.

     ③ 냉각열

     ④ 용해열

     ⑤ 흡착열

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5. 연소의 4요소 (4면체적 요소)

       = 연소의 3요소 + 순조로운 연쇄반응

   ▣ 불꽃 연소의 경우 연소의 3요소 이외에 계속적인 산소공급이 필요하다.

   ▣ 발생된 가연성 기체는 지속적이고 순조롭게 산화반응을 할 수 있어야 하는데 이러한 반응을 연쇄반응이라고 한다.

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6. 연소의 형태

   가. 불꽃 연소 : 가연성 기체가 공기와 혼합하며 연소하는 일반적인 연소 형태

   나. 표면연소 : 가연성 기체 없이 가연물이 표면에서 산화만을 하는 연소형태

   [가연물의 상태별 연소의 형태]

     ① 기체 가연물

        ㉠ 확산연소 : 기체 가연물의 일반적인 연소 형태

        ㉡ 예혼합연소 : 에너지 효율을 고려해 연료와 공기를 적절한 비율로 혼합하여 연소시키는 형태

       * 예혼합연소 

         도시가스는 메탄 CH4 이다,

         메탄의 연소범위는 공기중의 농도 5 ~ 15 [%] 이다.

         이 경우 공기 비중은 95 ~ 85 [%] 이다.

       ※ 연소범위 : 메탄의 경우 공기중의 농도가 5[%] 미만이어도 연소가 되지 않고 농도 15 [%]를 초과하여도 연소되지

                             않는다. 연소되는 범위를 말함.

     * 메탄의 열효율 : 메탄 7%와 공기 93%를 혼합할 경우 가장 열 효율이 높다.

   ② 액체 가연물 : 액체가 불이 붙는 경우는 하나도 없다. 연소가 되기 위해서는 액체가 기체로 바뀌어야 한다.

      ㉠ 증발연소 : 저비점 액체 가연물의 연소형태

           * 증발은 물질 자체는 변화지 않고 상태만 변한 것이고

           * 분해는 물질 자체가 변하는 것이다.

      ㉡ 분해연소 : 고비점 액체 가연물의 연소형태

           * 중유 (벙커C유) : 비등점 B.P 300 [℃] C20H40 ⇒ 크래킹 : 결합 중간을 끊어 프로탄이나 다른 가스로 분해해서

                                        사용한다.

           * 연소성 : 증발연소 > 분해연소

           * 증발연소 : 알코올, 가솔린 등 저비점 액체 가연물, 탄소수가 적은 물질

           * 분해연소 : 중유, 기계유, 실린더유 처럼 고비점 액체가연물, 탄소수가 커서 무거운 물질

   ③ 고체 가연물

       ㉠ 분해연소 : 고체가연물의 일반적인 연소형태 (목재가 대표적인 형태)

       ㉡ 표면연소 : 가연성 기체의 생성 없이 고체 표면에서 연소하는 형태

       ㉢ 증발연소 : 승화성 물질의 연소형태

          * 승화성 물질 : 황, 나프탈렌

       ㉣ 자기연소 : "가연물 + 산소공급원" 을 함께 지닌 물질의 연소형태

          * 5류 위험물 : 물질 내부에 충분한 양의 산소를 가지고 있는 물질, 질산에스테르류, 니트로화합물

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7. 연소가 확대되는 요인

   가. 접연 연소 : 불꽃이 계속 번져나가는 현상

   나. 비화 연소 : 옆으로 불꽃이 날아가 불이 번지는 현상

      ※ 비화연소 3요소

         ① 불씨          ② 바람           ③ 가연물 (주변)

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8. 가연성 가스와 지연성 가스 (조연성 가스)

   가. 가연성 가스

       ▣ 수소, 메탄, 일산화탄소, 천연가스, 메탄, 암모니아

   나. 지연성 가스

       ▣ 산소, 공기, 오존, 불소, 염소

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[연소속도에 영향을 주는 요소]

  ◈ 연소의 필요요소 (3요소, 4요소)의 각 인자에 적합여부에 의해 연소속도 (산화반응 속도)가 달라진다. 즉, 반응을

       잘할 수 있는 조건이면 연소속도가 빨라지고 그렇지 않은 경우는 연소속도가 느려진다.

5) 내화구조의 지붕

  ① 철근콘크리트조 또는 철골철근콘크리트조

  ② 철재로 보강된 콘크리트블록조 · 벽돌조 또는 석조

  ③ 철재로 보강된 유리블록 또는 망입유리로 된 것

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6) 내화구조의 계단

  ① 철근콘크리트조 또는 철골철근콘크리트조

  ② 무근콘크리트조 · 콘크리트블록조 · 벽돌조 또는 석조

  ③ 철재로 보강된 콘크리트블록조 · 벽돌조 또는 석조

  ④ 철골조

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다. 주요 구조부 ★ 내 기 바 보 지 주

  ① 내력벽 ② 보 (작은 보 제외)

  ③ 지붕틀(차양 제외) ④ 바닥 (최하층 바닥 제외)

  ⑤ 주계단 (옥외계단 제외) ⑥ 기둥 (사잇기둥 제외)

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2. 방화구조

가. 방화구조의 대상 (목조건축물)

  ▣ 건축법 시행령 제57조 (대규모 건축물의 방화벽 등)에 의한 방화구조에서 연면적 1,000 [㎡] 이상인

       목조건축물의 구조는 국토교통부령으로 정하는 바에 따라 방화구조로 하거나 불연재료로 하여야 한다.

나. 방화구조의 기준

다. 건축물의 방화문과 방화벽

1) 방화문

  ▣ 화재시 상당한 시간 동안 연소를 차단할 수 있도록 하기 위하여 방화구획선상 또는 방화벽의 개구부 부분에

      설치하는 것

   ① 직접 손으로 열 수 있을 것

   ② 자동으로 닫히는 구조 (자동폐쇄장치)일 것

2) 방화문의 구조 (피난 · 방화구획 26)

3) 방화벽의 구조

   ① 내화구조로서 홀로 설 수 있는 구조일 것

   ② 방화벽의 양 쪽 끝과 위쪽 끝을 건축물의 외벽면 및 지붕면으로 부터 0.5[m] 이상 튀어 나오게 할 것

   ③ 방화벽에 설치하는 출입문의 너비 및 높이는 각각 2.5 [m] 이하로 하고, 당해 출입문에는 갑종방화문을 설치할 것

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라. 불연 · 준불연재료 · 난연재료

3. 기타

가. 지하층의 정의

  ▣ 건축물의 바닥이 지표면 아래에 있는 층으로서 바닥에서 지표면까지 평균 높이가

       해당층 높이의 2분의 1 이상인 것을 말한다.

나. 건축방재의 기본적인 사항

 1) 공간적 대응

    ① 대항성 : 내화성능 · 방연성능 · 초기 소화대응 등의 화재사상의 저항 능력

    ② 회피성 : 불연화 · 나연화 · 내장제한 · 구획의 세분화 · 방화훈련(소방훈련) · 불조심 등

                       출화유발 · 확대 등을 저감시키는 예방조치 강구

    ③ 도피성 : 화재가 발생한 경우 안전하게 피난할 수 있는 시스템

2) 설비적 대응

   ⊙ 공간적 대응을 보완하는 것으로서 대항성에 대하여 스프링쿨러, 제연설비, 방화문,

       방화셔터 등을, 도피성으로는 유도등, 피난설비 등을 설치하여 보조하는 것

다. 연소확대 방지를 위한 방화계획

   ① 수평구획 (면적단위)

   ② 수직구획 (층단위)

   ③ 용도구획 (용도단위)

라. 피난계단의 구조

   ① 계단실은 창문 · 출입구, 기타 개구부를 제외한 해당 건축물의 다른 부분과 내화구조의 벽으로 구획할 것

   ② 계단실의 실내에 접하는 부분의 마감은 불연 재료로 할 것

   ③ 계단실에는 예비전원에 의한 조명 설비를 할 것

   ④ 계단은 피난 층 또는 지상까지 직접 연결되도록 할 것

마. 건축물의 바깥쪽에 설치하는 피난 계단의 구조

   ① 계단은 그 계단으로 통하는 출입구 외의 창문 등으로 부터 2 [m] 이상의 거리를 두고 설치

   ② 건축물의 내부에서 계단으로 통하는 출입구에는 갑종 방화문 설치

   ③ 계단의 유효너비 : 0.9[m] 이상

   ④ 계단의 내화구조로 하고 피난층 또는 지상까지 직접 연결되도록 할 것

바. 제연방식

  1) 자연제연방식 : 개구부 (건물에 설치된 창)를 통하여 연기를 자연적으로 배출하는 방식

  2) 스모크타워 제연방식 : 루프 모니터를 설치하여 제연하는 방식

     ① 스모크 타워는 급기와 제연의 균형이 이루어져야 한다.

     ② 제연통의 제연구는 바닥에서 위쪽에 설치하고, 급기통의 급기구는 바닥부분에 설치한다.

     ③ 배기와 급기는 자연 급배기식과 기계식이 있다.

     ④ 제연통과 급기통은 피난계단 전실에서 연기와 와류하지 아니하고 유효하게 제연될

          수 있도록 배치되어야 한다.

  3) 기계제연방식 (강제제연방식)

     ① 제1종 기계제연방식 : 송풍기와 배연기(배풍기)를 설치하여 급기와 배기를 하는 방식

          으로 장치가 복잡하다.

     ② 제2종 기계제연방식 : 송풍기만 설치하여 급기와 배기를 하는 방식으로 역류의 우려가 있다.

     ③ 제3종 기계제연방식 : 배연기(배풍기)만 설치하여 급기와 배기를 하는 방식으로 가장 많이 사용한다.

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【 출제 예상문제 】

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1. 건축물 내부에 설치하는 피난 계단의 구조로서 옳지 않은 것은 ? ④

   ① 계단실은 창문 · 출입구 , 기타 개구부를 제외한 해당 건축물의 다른 부분과의 내화구조의 벽으로 구획할 것

   ② 계단실의 실내에 접하는 부분의 마감은 불연 재료로 할 것

   ③ 계단실에는 예비전원에 의한 조명 설비를 할 것

   ④ 계단은 피난 층 또는 지상까지 직접 연결되지 않도록 할 것

[해설] 피난 계단의 구조

   ① 계단실은 창문 · 출입구 · 기타 개구부를 제외한 해당 건축물의 다른 부분과의 내화구조의 벽으로 구획할 것

   ② 계단실의 실내에 접하는 부분의 마감은 불연 재료로 할 것

   ③ 계단실에는 예비전원에 의한 조명 설비를 할 것

   ④ 계단은 피난 층 또는 지상까지 직접 연결되도록 할 것

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2. 내화구조에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 ? ④

   ① 철근콘크리트조, 연와조, 기타 이와 유사한 구조

   ② 화재시 쉽게 연소가 되지 않는 구조를 말한다.

   ③ 화재에 대하여 상당한 시간동안 구조상 내력이 감소되지 않아야 한다.

   ④ 보통 방화구획 밖에서 진화되어 인접 부분에 화기의 전달이 되어야 한다.

[해설] 내화 구조

   가. 정의

      ① 수리하여 재사용할 수 있는 구조

      ② 화재시 쉽게 연소되지 않는 구조

      ③ 화재에 대하여 상당한 시간동안 구조상 내력이 감소되지 않는 구조

  나. 종류

       ① 철근 콘크리트조    ② 연와조    ③ 석조

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3. 건축물의 피난 · 방화구조 등의 기준에 관한 규칙에서 건축물의 바깥쪽에 설치하는

     피난계단의 유효너비는 몇 [m] 이상으로 하여야 하는가 ? ③

     ① 0.6          ② 0.7             ③ 0.9                 ④ 1.2

[해설] 건축물의 바깥쪽에 설치하는 피난계단의 구조

   ① 계단은 그 계단으로 통하는 출입구 외의 창문 등으로 부터 2[m] 이상의 거리를 두고 설치

   ② 건축물의 내부에서 계단으로 통하는 출입구에는 갑종방화문 설치

   ③ 계단의 유효 너비 : 0.9 [m] 이상

   ④ 계단은 내화구조로 하고 지상까지 직접 연결되도록 할 것

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4. 건축물에 화재가 발생할 때 연소 확대를 방지하기 위한 계획에 해당되지 않는 것은 ? ②

   ① 수직계획        ② 입면계획          ③ 수평계획          ④ 용도계획

[해설] 연소 확대 방지를 위한 방화계획

   ① 수평구획 (면적 단위)

   ② 수직구획 (층단위)

   ③ 용도구획 (용도단위)

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5. 다음중 내화구조로 옳은 것은 ? ②

   ① 두께 1.2 [㎝] 이상의 석고판 위에 석면 시멘트판을 붙인 것

   ② 철근 콘크리트조의 벽으로서 두께가 10 [㎝] 이상일 것

   ③ 철망모르타르 바르기로서 두께 2 [㎝] 이상인 것

   ④ 심벽에 흙으로 맞벽치기 한 것

[해설] 내화구조의 기준

   ① 철근콘크리트조로서 두께 10 [㎝] 이상의 벽

   ② 철근콘크리트조로서 두께 10 [㎝] 이상인 바닥

   ③ 두께 5 [㎝] 이상의 콘크리트로 덮은 보

   ④ 철물을 두께 5 [㎝] 이상의 콘크리트로 덮은 기둥

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6. 방화문에 관한 설명 중 옳지 않은 것은 어느 것인가 ? ④

   ① 방화문은 직접 손으로 열 수 있어야 한다.

   ② 갑종 방화문은 비차열 1시간 이상의 성능이 확보될 것

   ③ 을종 방화문은 비차열 30분 이상의 성능이 확보될 것

   ④ 피난계단에 설치하는 방화문에 한해 자동폐쇄장치가 된다.

[해설] 방화문 구조

   ① 직접 손으로 열 수 있을 것

   ② 자동으로 닫히는 구조 (자동폐쇄장치)일 것

   ③ 방화문의 구조

8. 목조건축물에 설치하는 방화벽의 구조로서 적당치 않은 것은 ? ①

   ① 방화구조이어야 한다.

   ② 자립할 수 있는 구조이어야 한다.

   ③ 방화벽의 상단은 지붕면으로 부터 0.5 [m] 이상 튀어 나오게 한다.

   ④ 방화벽을 관통하는 틈은 불연 재료로 메워야 한다.

[해설] 방화벽 기준

   ① 내화구조로서 홀로 설 수 있는 구조일 것

   ② 방화벽의 양쪽 끝과 위쪽 끝을 건축물의 외벽면 및 지붕면으로 부터 0.5 [m] 이상 튀어 나오게 할 것

   ③ 방화벽에 설치하는 출입문의 너비 및 높이는 각각 2.5 [m] 이하로 하고, 이에 갑종 방화문을 설치할 것

   ④ 방화벽을 관통하는 틈은 불연재료로 메워야 한다.

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9. 방화구조를 바르게 나타낸 것은 ? ①

   ① 철망 모르타르 바르기로서 두께가 2[㎝] 이상인 것

   ② 석고판 위에 시멘트모르타르를 바른 것으로서 두께 2 [㎝] 이상일 것

   ③ 두께 1 [㎝] 이상의 석고판 위에 석면 시멘트판을 붙인 것

   ④ 두께 2 [㎝] 이상의 암면보온판을 붙인 것

[해설] 방화구조의 기준

   ① 철망 모르타르 바르기로서 두께 2 [㎝] 이상인 것

   ② 석고판 위에 시멘트모르타르를 바른 것으로서 두께 2.5 [㎝] 이상인 것

   ③ 심벽에 흙으로 맞벽치기 한 것

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10. 화재시 상당한 시간 동안 연소를 차단할 수 있도록 하기 위하여 방화구획선상 또는

      방화벽의 개구부 부분에 설치하는 것은 ? ④

   ① 덕트          ② 경계벽          ③ 셔터            ④ 방화문

[해설] 방화문

   ▣ 방화문 : 화재시 상당한 시간 동안 연소를 차단할 수 있도록 하기 위하여 방화구획선상

                      또는 방화벽의 개구부 부분에 설치하는 것

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11. 연면적이 몇 [㎡] 이상인 목조의 건축물은 그 구조를 방화구조로 하거나 불연재료로 하여야 하는가 ? ③

   ① 300 [㎡]            ② 500 [㎡]              ③ 1,000 [㎡]              ④ 1,500 [㎡]

[해설] 건축령 57조 제3항

  ▣ 연면적이 1,000 [㎡] 이상인 목조의 건축물은 국토교통부령이 정하는 바에 따라 그 구조를 방화구조로 하거나

       불연재료로 하여야 한다.

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12. 건축물의 주요 구조부가 아닌 것은 어느 것인가 ? ④

   ① 바닥         ② 보            ③ 주계단             ④ 사잇기둥

[해설] 건축물 주요 구조부

   ① 내력벽     ② 보 (작은 보 제외)      ③ 지붕틀 (차양제외)     ④ 바닥 (최하층 바닥 제외)

   ⑤ 주계단 (옥외계단 제외)     ⑥ 기둥 (사잇기둥 제외)

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13. 지하층이라 함은 건축물의 바닥이 지표면 아래에 있는 층으로서 바닥에서 지표면까지의 평균 높이가

       해당 층 높이의 얼마 이상인 것을 말하는가 ?   ①

   ① 1/2             ② 1/3             ③ 1/4              ④ 1/5

[해설] 지하층 : 건축물의 바닥이 지표면 아래에 있는 층으로서 그 바닥으로 부터 지표면까지의 평균 높이가

                        해당 층 높이의 1/2 이상인 것

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14. 제연방식의 종류가 아닌 것은 ? ②

   ① 자연 제연방식        ② 흡입 제연방식         ③ 기계 제연방식           ④ 스모크타워 제연방식

[해설] 제연방식의 종류

   (1) 자연 제연방식 : 건물에 설치된 창

   (2) 스모크 타워 제연방식

   (3) 기계 제연방식

         ① 제1종 : 송풍기 + 배연기

         ② 제2종 : 송풍기

         ③ 제3종 : 배연기

​

15. 다음 스모크 타워 (Smoke Tower)에 관한 설명 중 옳지 않은 것은 ?

   ① Smoke Tower는 급기와 제연의 균형이 이루어져야 한다.

   ② 제연통의 제연구는 바닥부분에 설치하고, 급기통의 급기구는 천장 부분에 설치한다.

   ③ 배기와 급기는 자연 급배기식가 기계식이 있다.

   ④ 제연통과 급기통은 피난계단 전실에서 연기와 와류하지 아니하고 유효하게 제연될 수

       있도록 배치되어야 한다.

  [해설] 스모크 타워

    ▣ 제연통의 제연구는 바닥에서 위쪽에 설치하고, 급기통의 급기구는 바닥부분에 설치한다.

1. 피난계획시 고려사항

​

가. 패닉(Panic)의 발생 원인

① 연기에 의한 시계 제한

② 유독가스에 의한 호흡 장애

③ 외부와 단절되어 고립

​

나. 피난행동의 성격

  1) 계단 보행 속도

  2) 군집 보행 속도

    ① 자유 보행 : 아무런 제약을 받지 않고 걷는 속도로서 보통 0.5 ~ 2 [m/s]이다.

    ② 군집 보행 : 후속 보행자의 제약을 받아 후속 보행 속도에 동조하여 걷는 속도로서 보통 1[m/s]이다.

  3) 군집 유동 계수 : 협소한 출구에서의 출구를 통과하는 일정한 인원을 단위 폭, 단위시간

      으로 나타낸 것으로 평균적으로 1.33 인/(m·s) 이다.

​

다. 피난대책의 일반적 원칙

① 피난경로는 간단 명료하게 한다. (피난 경로는 가능한 한 짧게 한다)

② 피난 설비는 고정식 설비를 위주로 설치한다.

③ 피난수단은 원시적 방법에 의한 것을 원칙으로 한다.

④ 2방향의 피난통로를 확보한다.

⑤ 피난통로를 완전 불연화한다.

⑥ 화재 층의 피난을 최우선으로 고려한다.

⑦ 피난 시설 중 피난로는 복도 및 거실을 가리킨다.

⑧ 인간의 본능적 행동을 무시하지 않도록 고려한다.

⑨ 계단은 직통계단으로 할 것

⑩ 피난설비는 Fool proof 와 Fail safe의 원칙을 중시한다.

  ㉠ Fool proof

      ⊙ 비상사태 대비책을 의미하는 것으로 화재는 재해와 같은 비상사태에서 정신이 혼란

          하게 되고 판단능력을 상실하게 되므로, 피난 대책은 누구나 알아 보기 쉬운 방법을 선택하는 것

  ㉡ Fail safe

      ⊙ 이중 안전장치를 의미하는 것으로 하나의 수단이 고장이 생겼을 때 2차적 수단에 의

            하여 구제할 수 있도록 하는 것

​

라. 피난 동선의 특성

① 가급적 단순형태가 좋다.

② 수평동선과 수직동선으로 구분한다.

③ 가급적 상호 반대방향으로 다수의 출구와 연결되는 것이 좋다.

④ 어느 곳에서도 2개 이상의 방향으로 피난할 수 있으며 그 말단은 화재로 부터 안전한

     장소이어야 한다.

​

마. 화재발생시 인간의 피난 특성

  ※ 화재시 안전하게 대피하기 위한 피난로 온도는 사람의 어깨 높이를 기준으로

      49 ~ 66 [℃]를 넘지 않도록 설계하여야 한다.

​

【 출제 예상 문제 】

​

1. 건물화재시 패닉(Panic)의 발생원인과 직접적인 관계가 없는 것은 ? ④

    ① 연기에 의한 시계 제한       ② 유독가스에 의한 호흡장애

    ③ 외부와 단절되어 고립        ④ 건물의 가연 내장재

 [해설] 패닉(Panic)의 발생 원인

   ① 연기에 의한 시계 제한 ② 유독가스에 의한 호흡장애 ③ 외부와 단절되어 고립

​

2. 건물 내부에서 화재가 발생하였을 때 피난시의 군집보행속도는 약 몇 [m/s]로 보는가?  ②

   ① 0.5         ② 1.0             ③ 1.5          ④ 15.0

[해설] 군집 보행 속도 ① 자유보행속도 : 0.5~2.0 [m/s] ② 군집보행 : 1.0 [m/s]

​

3. 화재 시 안전하게 대피하기 위한 피난로의 온도는 49 ~ 66 [℃]를 넘지 않도록 설계시에

    고려한다. 이 경우의 온도는 어느 곳을 기준으로 하는가 ? ②

  ① 사람 머리 위 허공높이              ② 사람의 어깨 높이

  ③ 건물 바닥                                  ④ 건물 천장

[해설] 화재시 안전하게 대피하기 위한 피난로 온도는 사람의 어깨 높이를 기준으로

           49 ~ 66 [℃]를 넘지 않도록 설계하여야 한다.

​

4. 피난대책의 일반적인 원칙으로 옳지 않은 것은 ? ②

① 피난 경로는 간단 명료해야 한다.

② 피난설비는 고정식 설비보다 이동식 설비를 위주로 설치한다.

③ 피난수단은 원시적 방법에 의한 것을 원칙으로 한다.

④ 2방향의 피난통로를 확보한다.

[해설] 피난 대책의 일반적인 원칙

① 피난 경로는 간단 명료하게 한다.

② 피난 설비는 고정식 설비를 위주로 설치한다.

③ 피난수단은 원시적 방법에 의한 것을 원칙으로 한다.

④ 2방향의 피난 통로를 확보한다.

⑤ 피난통로를 완전 불연화한다.

⑥ 화재 층의 피난을 최우선으로 고려한다.

⑦ 피난시설 중 피난로는 복도 및 거실을 가리킨다.

⑧ 인간의 본능적 행동을 무시하지 않도록 고려한다.

⑨ 계단은 직통 계단으로 할 것

​

5. 다음 중 건물내 피난동선의 조건으로 적합한 것은 ?

① 피난 동선은 그 말단이 길수록 좋다.

② 피난동선의 한 쪽은 막다른 통로와 연결되어 화재시 연소가 되지 않도록 하여야 한다.

③ 어느 곳에서도 2개 이상의 방향으로 피난할 수 있으며 그 말단은 화재로 부터 안전한

     장소여야 한다.

④ 모든 피난 동선은 건물 중심부 한 곳으로 향하고 중심부에서 지면 등 안전한 장소로

      피난할 수 있도록 하여야 한다.

[해설] 피난동선의 특성

① 가급적 단순한 형태가 좋다.

② 수평동선과 수직동선으로 구분한다.

③ 가급적 상호 반대 방향으로 다수의 출구와 연결되는 것이 좋다.

④ 어느 곳에서도 2개 이상의 방향으로 피난할 수 있으며, 그 말단은 화재로 부터 안전한

     장소이어야 한다.

​

6. 불의 화재 발생시 인간의 피난 특성으로 틀린 것은 ? ②

① 무의식중에 평상시 사용하는 출입구나 통로를 사용한다.

② 화재의 공포감으로 인하여 빛을 피해 어두운 곳으로 몸을 숨긴다.

③ 화염, 연기에 대한 공포감으로 발화의 반대방향으로 이동한다.

④ 화재시 최초로 행동을 개시한 사람을 따라 전체가 움직이는 경향이 있다.

[해설] 화재발생시 인간의 피난 특성

다. 무창층

1) 정의

  ▣ 지상층 중 다음의 요건을 모두 갖춘 개구부(건축물에서 채광 · 환기 · 통풍 또는 출입

      등을 위하여 만든 창 · 출입구 그밖에 이와 비슷한 것을 말한다)의 면적의 합계가 해당

      층의 바닥 면적의 30분의 1 이하가 되는 층

2) 개구부의 요건

① 크기는 지름 50 [㎝] 이상의 원이 내접(內接)할 수 있는 크기일 것

② 해당 층의 바닥면으로 부터 개구부 밑부분까지의 높이가 1.2 [m] 이내일 것

③ 도로 또는 차량이 진입할 수 있는 빈터를 향할 것

④ 화재 시 건축물로 부터 수비게 피난할 수 있도록 창살이나 그 밖의 장애물이

    설치되지 아니할 것

⑤ 내부 또는 외부에서 쉽게 부수거나 열 수 있을 것

​

라. 피난기구의 종류

① 피난사다리

② 완강기

③ 간이완강기

④ 구조대 (포대)

⑤ 공기안전매트

⑥ 다수인 피난장비

⑦ 피난용 트램

⑧ 미끄럼대

⑨ 피난교

⑩ 승강식 피난기

​

【 출제 예상문제】

​

1. 무창층 여부를 판단하는 개구부로서 갖추어야 할 조건으로 옳은 것은 ? ③

   ① 개구부 크기가 지름 30 [㎝]의 원이 내접할 수 있는 것

   ② 해당 층의 바닥면으로 부터 개구부 밑 부분까지의 높이가 1.5 [m] 인 것

   ③ 내부 또는 외부에서 쉽게 부수거나 열 수 있을 것

   ④ 창에 방범을 위하여 40 [㎝] 간격으로 창살을 설치한 것

[해설] 개구부의 요건

   ① 크기는 지름 50[㎝] 이상의 원이 내접(內接]할 수 있는 크기일 것

   ② 해당 층의 바닥면으로 부터 개구부 밑부분까지의 높이가 1.2[m] 이내일 것

   ③ 도로 또는 차량이 진입할 수 있는 빈터를 향할 것

   ④ 화재시 건축물로 부터 쉽게 피난할 수 있도록 창살이나 그 밖의 장애물이 설치되지 아니할 것

   ⑤ 내부 또는 외부에서 쉽게 부수거나 열 수 있을 것

​

2. 화재발생시 피난기구로서 직접 활용할 수 없는 것은 ? ②

   ① 완강기       ② 화재속보기 (경보설비)     ③ 수직구조대      ④ 구조대

[해설] 피난기구

   ① 피난사다리    ② 완강기    ③ 간이완강기    ④ 구조대    ⑤ 공기안전매트

   ⑥ 다수인 피난장비    ⑦ 피난용 트랩    ⑧ 미끄럼대    ⑨ 피난교    ⑩ 승강식 피난기

​

3. 피난시설의 안전구획을 설정하는데 해당되지 않는 것은 ? ①

   ① 거실    ② 복도    ③ 계단부속실(전실)    ④ 계단

[해설] 피난시설의 안전구획

   ① 1차 안전구획 : 복도

   ② 2차 안전구획 : 부실 (계단전실)

   ③ 3차 안전구획 : 계단

▣ 위 그림의 왼쪽 부분은 앞에서 배운 볼타전지를 나타낸 것이다. 오른쪽은 전해전지를

    나타낸 것이다. 볼타 전지는 자발적인 산화 · 환원 반응을 이용한 것이다. 볼타 전지는

    아연판이 구리 처럼 반응성이 다른 금속이온을 이용하여 왼쪽 즉 anode는 산화반응

    이니까 아연판이 전자를 내놓고 따라서 anode는 마이너스(-) 역할을 하고 그 내놓은

    전자들을 오른 쪽에 있는 Cathode 즉, 구리용액에 있는 구리 이온이 받아서 구리로

    석출되게 된다. 아연판은 점점 작아지고 구리는 점점 커지게 된다. 그런데 여기서 점점

    아연(Zn)이 녹아 들어가니까 플러스(+) 이온이 너무 많아 지니까 가운데 염다리에서

    마이너스(-) 들이 공급되어야 하고 오른쪽에는 플러스가 가서 너무 석출되다 보니 염

    다리에서 플러스(+)가 공급돼야 되는 이런 형태로 전기를 흐르게 하는 형태였다.

▣ 오른 쪽 그림의 전해전지는 볼타 전지와 정반대의 반응을 하게 된다. 그런데 이 반응은

    비자발적 반응으로 반응이 일어나게 하기 위해서 에너지 즉, 전기에너지를 공급하는 것이다.

▣ 따라서 외부의 전원에 연결된 것이다. 외부 전원에서 외부 전원장치의 플러스(+)극과

    연결된 선 즉 플러스 극과 연결된 전극에서 (외부 전원이 플러스(+)라는 것은 전자를

    빼앗아 가고 있다는 것을 의미한다) 전자를 잃어 버리는 일이 발생한다. 그래서 산화

    전극 즉 anode가 되는데 이 anode를 보면 이 전해 전지에서 자발적인 산화 · 환원

    반응은 아니다. 전자를 자발적으로 내 놓는 것이 아니고 외부 전원의 플러스(+)극과

    연결되어 있기 때문에 전자를 빼앗기는 것이다. 따라는 anode를 외부 전극, 외부 전원

    의 전하와 부호를 같게 잡는다. 그래서 전원이 플러스이고 외부 전원의 마이너스(-)와

    붙어 있으므로 전자가 공급되는 곳이고 여를 마이너스(-) 부호를 쓰고 음극 Cathode

    가 된다. 따라서 볼타전지와 전해전지의 가장 큰 차이는 볼타전지는 anode가 마이너스

    (-)인데 전해전지는 anode가 플러스(+)가 된다. 하지만 둘 다 산화반응이 일어나는

    곳이다. 볼타전지는 자발적으로 산화반응이 일어난다면 전해전지는 자발적이라기 보다

    는 어떠한 과정 즉 외부의 전원의 플러스(+)에 붙어 있어서 전자를 빼앗기니까 또는

    외부의 전원의 마이너스(-)와 연결되어서 전자를 주니까 어쩔 수 없이 반응이 진행되는

    그런 과정이다. 볼타 전지는 자발성, 전해전지는 비자발성이 가장 중요한 개념이 된다.

​

나. 화학전지와 전해전지(전기분해)의 전극 비교

 ▣ 화학전지는 anode가 왼쪽에 써지고 산화전극이 된다. 우리말로 양극이다. Cathode는

      환원반응이 일어나는 곳이고 우리말로 음극이다.

▣ 이렇게 외부 전원의 플러스(+), 마이너스(-)를 연결하게 된다. 외부 전원과 같은 극성을

    갖게 된다. 비자발적인 반응이기 때문이다. 따라서 플러스(+)극은 외부 전원의 플러스

    (+)와 연결되어 외부 전원에 플러스는 전자를 받아 들이는 곳이다. 따라서 플러스(+)극

    은 전자를 빼앗기는 곳이 된다. 여기서도 산화극이니까 Anode이고 양극이지만 극성은

    플러스(+)가 된다. 전해전지는 자발적인 반응을 하는 것이 아니기 때문이다.

▣ 외부전지의 마이너스(-)극과 연결된 Cathode는 환원전극이고 우리말로 음극이라 부른다.

     외부 전원 마이너스(-)와 연결되었으니 이 극에서 전자를 공급한다.

     Anode가 산화극이고 Cathode가 환원극인 것은 화학전지와 전해전지가 같은데 차이

    가 있다면 화학전지에서는 anode의 부호가 마이너스(-)인데 전해전지는 부화가 (+)인

    것이 차이가 난다.

다. 용융 염화소듐 vs 염화소듐 수용액의 전기분해, 그리고 물의 전기분해시 사용할 수 있는 이온들

▣ 용융 염화소듐은 화학식을 NaCl(I)로 쓴다. 염화소듐 수용액은 NaCl(aq)로 쓴다. 그리고

    물의 전기분해시 사용할 수 있는 이온들에 대하여 알아 보자. 한쪽 플라스크에는

    NaCl 용융액이 들어 있다. 이곳에는 Na+와 Cl- 이온 밖에 없다. 그런데 NaCl 용융액이

   있는 곳에 외부 전원을 연결해 주면 +극의 네모판 전극에서는 전자를 빼앗아 가게 되므로

    Na+와 Cl- 중에 전자를 누군가는 빼앗기게 되는데 Na+는 전자가 없어 Cl-가 전자를

    빼앗기게 된다. 따라서 Anode 극에서 일어나는 반응은 2Cl-가 Cl2와 2e 전자로 바뀌게

    되는 반응이 일어난다. 이 반응의 결과로 Anode극에서는 염소기체 (Cl2)가 발생

    하게 되고 염소기체(Cl2)가 날아 가는 모습을 볼 수 있게 된다. 이 때 마이너스(-)과 연

    결된 즉, Cathode와 연결된 전극에서는 이 극에서는 전자 e를 계속하여 공급하여 주게

    되므로 원래 나트륨(Na)은 전자를 안 받으려고 하는 성향을 가지고 있지만 (전자를 버

    리는 성향이 3번째이니까 전자를 잘 버리는 금속임), 전자를 잘 안 받으려고 하지만

    용융액이다 보니 Na+와 Cl- 밖에 2종류 이온 밖에 없다. Cl​2는 이미 기체가 되어 날아

    갔고 Na+ 밖에 전자를 받을 원소가 없게 되므로 할 수 없이 Na+가 전자를 받아서 Na

    가 된다. 그런데 이 용융액에 전자 1[mol]이 들어가면 Cl2 는 분자하나당 전자가 2개

    필요하게 된다. 그러므로 전자 1[mo]을 공급하게 되면 Cl2는 0.5[mol]이 발생하게

    되고 Na는 원자 하나당 전자 하나가 필요하므로 1[mol]의 Na가 발생하게 된다.

▣ 그런데 NaCl 수용액이 되면 상황이 조금 달라지게 된다. NaCl 수용액에는 Na+, Cl-,

     H2O가 있게 된다. 플라스크 안에 Na+와 Cl- 그리고 물(H2O)가 있게 된다. 그리고 외부

    전원에 연결된 전기분해 전극을 설치하게 되면 플러스(+) 극 anode 극에서는 전자를

    빼앗고 싶은데 마이너스(-)를 띤 Cl-가 전자를 빼앗길 수 밖에 없게 된다. 그런데 수용

    액에는 물도 있다. 물의 이온 O2-가 있다. 전자를 빼앗기는 것은 전기음성도를 비교해

    야 하는데 Cl 보다는 O가 전기음성도가 크다. 따라서 산소(O)는 전자를 빼앗기지 않

    게 된다. 따라서 실제 일어 나는 반응은 H2O가 있긴 하지만 산소(O)가 염소 (Cl) 보다

    전자를 갖으려는 힘이 크기 때문에 염소(Cl2)가 기체가 되어 날아 가게 되고 염소(Cl-)

    가 전자를 빼앗기게 된다. 또한 전자를 계속하여 공급하는 마이너스(-), Cathode극

    에서는 이 극에서 전자를 계속하여 공급하게 되면 전자를 받을 수 있는 물질은 Na+가

    있고 물도 있게 된다. 그런데 금속의 이온화 경향은 K, Ca, Na... 순으로 나트륨(Na)

    이 3번째이다. 금속의 이온화 정도는 K - Ca - Na - Ma - Al - Zn - Fe - Ni - Sn - Pb -

    (H) - Cu - Hg - Pt - Au 순인데 여기서 주석(Sn), 수소(H), 구리(Cu) 순으로 나타나

    는데 따라서 나트륨(Na) 보다 물에 있는 수소(H)와 물은 수소(H+)와 (O2-)가 결합한

    물질이므로 나트륨은 전자를 더 잘 받을 수 있는 수소(H+)가 있으므로 전자를 받지

    않고 수소가 전자를 받아 H2 기체가 되어 날아가 버리고 OH- 2개가 생긴다. 따라서

    마이너스 극에서는 환원반응이 일어 나는데 Na+는 아무 것도 반응이 일어나지 않고

    수용액이니까 물이 환원되어서 수소(H2)기체가 발생하고 OH-가 발생하게 된다.

    이렇게 하여 물(H2O)가 Cathode 극주변에서 반응하여 OH-가 생겼고 마이너스(-)

    극이니까 Na+가 마이너스(-) 근처로 가게 되고 마이너스(-)극 근처에서 플러스(-)가

    모이게 되므로 Na+와 물의 전기분해로 생긴 OH-가 만나서 수산화나트륨(NaOH)가

    생긴다. 이 과정이 NaCl 수용액이 전기분해 되는 과정을 나타낸 것이다. 이 경우 NaCl

    수용액에 전자 1[mol]을 넣은 경우 염소는 분자 하나당 전자가 2개 필요한데 전자

    1[mol]을 넣으면 염소는 0.5[mol]이 발생하고 수소는 분자 1개당 전자가 2개 필요하

    므로 수소 기체 0.5[mole]이 발생하게 된다. 또 전자 2개가 들어가면 OH-도 2개가

    발생하게 되므로 OH-는 전자 하나당 하나가 생긴다. Na+는 Cathode 극에 모여 들

    기만 할 것이고 따라서 전자 1[mol]이 주어지면 NaOH도 1[mole]이 생기게 된다.

    그리고 순수한 물은 전기를 못 흘린다고 했다. 순수한 물은 이온이 너무 적어서 H+와

    OH- 모두 10 -7 밖에 없기 때문에 전기가 전류를 형성하지 못한다. 따라서 물의 전기

    분해시 사용할 수 있는 이온들을 보면 염소(Cl)와 같은 원소가 들어 가면 안된다.

    왜냐하면 물 대신에 Cl2가 전자를 잃고 염소(Cl2)가스가 나오니까 물에서 산소가 나오

    게 할 수 없게 된다.

▣ 따라서 물의 전기분해시 사용할 수 있는 플러스(+) 이온은 K+, Ca2+, Na+, Mg2+,

    Al3+ 으로 반응성이 좋은 금속들이다.

    마이너스(-)으로 쓸 수 있는 물질들은 NO3-, F-, SO42-, CO32-, PO43- 등으로 음이온

    자체가 안정된 물질들이다. 하지만 이때 플러스 이온과 마이너스 이온을 연결하는

    과정에서 만약 Ca 와 SO4를 연결한다면 문제가 된다. 이들은 +2, -2 이온으로 구성되

    어 있어 물에 안 녹는데 황산칼륨이 석고인데 그럼 전기 분해시 사용할 수 있는 이온인데

    물에 녹지 않는다. 따라서 플러스(+) 이온과 마이너스(-) 이온을 따로 구분하여 알고 있

    되, 플러스(-)이온과 마이너스(-) 이온을 연결하여 전기전류가 잘 흐르게 하려면 칼륨과

    황산을 연결하면 괜찮다. 물에 잘 녹는다. 따라서 용해도 규칙과 연결하여 생각해야 한다.

▣ 이상에서 설명한 내용을 그림으로 요약하면 다음과 같다.

라. 용융염화 소듐의 전기분해

▣ 산화 알루미늄은 거의 3,000[℃]가 되어야 녹는데 이에 빙정석 등을 섞으면 약 1,000

     [℃]에서 녹는다. 흑연으로 된 플러스(+)극에서 산화 알루미늄은 Al3+ 와 O2-가 있는데

    플러스(+)극에서는 산소가 전자를 빼앗기고 O2 기체가 된다. Al3+ 는 여기 바깥에 흑연

    으로 도포된 환원 전극에서 표면에서 Al3+ 가 전자를 받아서 알루미늄이 액체로 떨어진다.

    산소기체는 온도가 매우 뜨겁다. 온도가 거의 1,000[℃]가 되는데 흑연과 산소 그러

    니까 탄소와 산소가 만나면서 온도가 1,000[℃]이다. 그러면 화학반응이 일어 나서 이

    산화탄소 (CO2)가 기체가 생성된다. 이렇게 이산화탄소(CO2)가 생기게 되므로 흑연은

    소모되어 이 알루미늄을 생산할 때 흑연 전극은 계속 교체해 줘야 한다. 또한 이산화탄소

    (CO2)는 지구온난화의 주범이다. 이 때 나오는 이산화탄소를 드라이아이스를 만든다

    든지 이산화탄소 기체를 산업에 이용한다.

​

라. 전해 정제 (= 제련)

  ▣ 전기분해를 이용해 순수한 금속으로 정제하는 과정

    [구리의 제련]

예제) 용융 CaCl2에 0.5[A]의 전류를 1시간 통과시켰을 때 석출되는 Ca의 질량을 구하시오. (Ca 40.078 [g/mol])

▣ 전기화학에서 가장 중요한 것은 화학물질을 이용하여 전자를 뽑아 내서 이용하는 것이다.

     전자의 흐름이 나오게 하는 기본원인은 금속의 이온화 경향에서 비롯된다. 금속이

     전자를 잘 내 놓는 순서를 이용하여 표현한 것이 금속의 이온화 경향이다.

▣ 위 그림에서 아연(Zn)과 구리(Cu)를 연결시키면 아연은 전자를 잘 내놓고 구리는 전자를

     받으려는 성질이 있다. 즉, 전자의 흐름, 전류를 만들어 내는 근원은 아연은 전자를내 놓고

     구리는 아연 보다 전자를 잘 받는 경향이 있으므로 자발적인 화학반응을 이용 하여 전자의 흐름,

     즉 전류를 만들어 내는 과정이 형성된다. 이것이 화학전지의 원리이다.

​

2. 화학전지

가. 화학전지는 전자의 자발적인 이동에서 시작됨

▣ 갈바니 전지 같은 경우는 금속의 이온화 경향을 이용한 기본적인 화학전지이다.

▣ 구리 Cu2+, 황산 SO42- 용액에 아연(Zn)을 넣으면 구리 이온은 아연에서 주는 전자를

     받아서 구리의 표면이 속출이 된다. 구리 이온이 있을 때는 용액이 파란색인데 속출되면서 색깔이 묽어지고

     아연 표면은 구리 원자로 덮여지기 때문에 아연 표면 색깔이 붉게 되는 것을 볼 수 있다.

▣ 황산, 구리 용액에 아연판을 넣었을 때 아연이 녹아 들어가고 구리가 석출되는 것은 알았는데

     이것이 전지와의 관계가 무엇인가라고 하면 아연과 용액의 경계면에서 정말 짧은 시간내에 가까이에서

     전자의 교환이 이루어진다.

▣ 아연 - 구리 반응이 기본이 되는 이 과정이 볼타전지의 기본원리이다. 볼타 전지는 화학자가

    제일 먼저 고안해 낸 전지의 일종이다. 항상 우리가 산화되는 그 반응을 위 그림의  왼쪽에 설치하고

    환원반응은 오른쪽에 위치한다. 산화되는 극의 이름을 anode라고 하고 node라는 말이 나오면

    산화되는 곳이란 뜻이고 양극, 아연(Zn)쪽을 말하고 전자를 내 놓는 나가는 곳으로 마이너스(-)이다.

     그런데 양극이란 단어는 플러스(+) 인데 마이너스(-) 부호의 의미가 아니다.

     항상 anode는 마이너스 전지에서 마이너스(-) 역할을 한다.

     왜냐면 전자가 바깥으로 나가는 곳이기 때문이다. 전자가 이동하여 구리 쪽에  왔을 때 실제로 구리는

     전자를 받는 것이 아니라 용액속에 있는 구리 이온이 가서 전자 를 받게 된다.

      따라서 아연판에서 전자를 내놓고 아연판에 있던 아연이 아연 이온으로 녹아 들어 가니까 아연판은

      점점 작아지고 구리 용액에 있던 구리 이온들이 아연에서 온 전자를 받아서 계속 구리가 석출되니까

      구리른 점점 커지게 된다.

      전체 화학식은 고체 아연은 아연 이온으로 구리이온은 고체 구리로 변하는 식이 된다.

      그런데 여기서 반응이 일어날 때 아연이 너무 많이 녹으면 계속 아연은 녹고 싶은데

      아연이온 Zn2+가 너무 많아서 이들간 전기적인 반발력이 생긴다. 아연이 전자를 주면

      구리이온은 전자들을 받아서 구리 고체가 되는데 구리가 더 받을 만한 아연 이온 Zn2+

      가 없어 즉, Zn2+가 부족하여 전자를 못 받게 되는 그런 상황이 올 수 있게 된다. 따라

      서 볼타전지는 기본적으로 5분 정도 지나면 전구가 확 켜졌다가 5분만에 전구가 꺼지

      는 사실 5분도 안간다. 초기 볼타전지는 10~20초 간다고 한다. 따라서 계속하여 전류

      가 형성되게 하기 위해서는 용액에 Zn2+ 이온이 너무 많아서 더 이상 들어 갈 수 없는

      아연의 플러스 이온이 구리 쪽에 붙여야 한다.

​

나. 갈바니 전지의 구성요소

▣ 아연, 구리 막대를 전극(electrode)라고 한다.

▣ 산화반응은 무조건 anode라고 한다. anode는 양극이다. 하지만 여기서 anode 양극은

     부호가 마이너스(-)이다.

▣ 환원반응이 일어나는 전극은 무조건 Cathode이다. 우리말로 음극이다. 그런데 부호는

    플러스(+)이다.

▣ 반쪽 전지는 아연 전극과 수용액, 반쪽 전지는 용기, 전극, 용액을 합쳐 반쪽 전지라고 한다.

▣ 염다리 (Salt bridge)는 아연 이온이 너무 많아서 즉, 플러스(+)가 너무 많아서 더 이상

     아연이 더 이상 아연이 녹아 들어 갈 수 없게 되면 플러스(+)에 대한 반발력이 커진다.

     그래서 마이너스(-) 이온이 가서 플러스 전하를 좀 중화시켜 주는 역할을 한다. 구리 쪽

     에 플러스가 부족하니까 Na+가 가서 플러스(+)를 많이 공급해 주는 역할을 한다. 염다

     리는 반쪽 전지들간의 양이온과 음이온이 이동할 수 있는 통로인데 주로 KCl 이나

     NH4NO3 와 같은 물에 100[%] 이온화 되면서 플러스나 마이너스 이온을 빼앗기지

     않는 그런 이온들이 들어 있는 전해질 용액을 많이 사용한다.

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다. 전자이동의 원리

▣ 납축전지는 충전이 가능하다. 가역적인 산화 · 환원 반응을 이용하기 때문에 방전은 이산

     화납이 납과 함께 황산용액에 담겨져 있어 깨지면 위험하다. 이산화납과 납이 황산 용액

     에서 황산납이 되면서 전자를 밖으로 내놓고 충전은 반대로 원래의 모습으로 가는 것이다.

▣ 납축전지는 겨울에 오래 방치하면 고장이 나는 것은 자기 전압을 유지하게 하는 충전과

     정이 운행되는 자동차 엔진에서 에너지를 공급해 줘야 하는데 운행을 하지 않으면 전지

     가 방전되어 움직이지 못하게 된다.

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5. 리튬 이온 전지

▣ 요즘 산업계에 많이 쓰이는 전지는 니켈 - 카드뮴 전지인데 카드뮴은 정말 독성이 강한

    물질이다. 그래도 니켈 - 카드뮴 전지를 쓰는 것은 용량이 크기 때문이다. 카드뮴의 독성

    때문에 휴대용 전지는 가볍고 충전하기도 쉬운 리튬 이온 전지로 바뀌고 있다. 인산이

    들어 간 리튬 이온 배터리는 브래이크 패드의 열로 손실되는 운동에너지를 배터리의

    전기 포텐셜 에너지로 전환할 수 있는 특징이 있다. 이것을 하이브리드 자동차에 사용한다.

▣ 산화, 환원 반응을 숫자로 계산하려고 만들어 낸 개념이 산화수이다.

▣ 철은 철 원소만 있을 때는 전하량이 없으니까 "0"이다. 그런데 산소와 결합했다면 산소는

   전자 2개를 빼앗는 것이 기본인데 산소가 3개 이니까 전자 6개가 부족하다. 따라서

   철 하나당 전자 3개를 담당하여 전체적으로 "0"이 되어 화합물이 되는 것이다.

   철은 0에서 +3이 되었으니 전자를 잃어 산화된 것이고 산소는 0에서 2-가 되었으니

   전자를 얻어 환원된 것이다.

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나. 산화수의 정의

 ▣ 산화수 (Oxidation Number, 또는 산화 상태)

  ⊙ 공유결합에서 모든 전자가 전기음성도가 큰 원자에 속한다는 가정하에 원자에 임의로 할당된 전하

 ▣ 반응 전후에 한 원자의 산화수를 비교하면 원자들이 전자를 얻었는지 또는 잃었는지를 알 수 있음

 ▣ 반드시 이온 전하를 의미하지는 않는다는 것에 유의해야 함

 ▣ 산화 - 환원 반응에서 전자의 추적에 도움을 주는 단순하고 편리한 방법임

 ▣ 물의 경우에는 H2O는 H2와 O가 공유결합을 한다. 이 때 전자를 산소쪽으로 살짝 당겨

     지긴 하지만 그렇다고 수소가 완전히 전자를 잃어 버린 것은 아니다. 공유결합은 이온

    결합 처럼 전하수가 주고 받는 것이 명확하지 않으므로 이럴 때는 전자를 얻는 것인지

    잃는 것인지 모호할 수 있다. 따라서 공유결합한 두원자 중에서 전기음성도가 큰 원자

    가 전자를 가져갔다고 본다. 그래서 산소가 최외각 껍질 전자가 6개가 있었는데 수소의

    전자 21개를 가져가 산소는 전자가 8개가 된다. 산화수는 원래의 원자 최외각 전자수

    빼기, 공유 전자를 전기음성도가 센 원자가 전자를 가져간다고 가정했을 때, 이 전자수

    를 빼서 계산하면 6 - 8 = -2 가 된다. 수소는 최외각 전자가 1개 있는데 이것을 빼앗겼

    으니까 전자가 없는 것과 마찬가지가 되었다. 그래서 수소는 1 - 0 = +1 이 된다.

    이것이 산화수 개념이다.

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다. 산화수 규칙

▣ 다원자 이온일 때는 물(H2O)을 예로 들면, 다원자 이온이나 분자화합물이 있을 때는

    물은 산소가 전자를 세게 당기므로 산소는 특별하지 않은 경우 산화수는 -2이다. 대부분

    의 산소는 최외각 껍질 전자가 6개로 전자 2개를 가져 오므로 산소는 -2, 수소는 +1이 된다.

▣ 그런데 O-H 라는 수산화이온은 왜 생겼을까 ? 산소가 -2 이고, 수소가 +1이기 때문에

     암모니아는 수소보다 질소가 전자를 당기는 힘이 세서 수소가 +1, 질소가 -3이 된다.

▣ 산소는 일반적으로 산화수가 -2이다. 그런데 그렇지 않은 경우가 있다. OF2 라는 분자이다.

     불소 (F)는 전기음성도에서 범접 불가이다. 전기형성도가 무조건 제일 세다.

     불소(F)는 어느 물질에서든 전자를 항상 빼앗아 오는 물질이다. 그리고 최외각 전자가

     7개라서 항상 산화수는 -1이다. 그런데 불소(F) 2개가 있으니 산소는 +2가 된다.

     산소는 일반적으로 전자를 빼앗는 -2의 역할을 하지만 불소를 만나면 전자를 빼앗기는

      +2 의 역할로 변한다.

▣ H2O2는 산소보다 전자를 못 빼앗으므로 오히려 산소보다 전기 음성도가 작으니까 수소

     +1 이 2개 있고 원래 산소는 -2가 되어야 하는데 수소가 줄 수 있는 전자가 없어서 -1개

      짜리 2개인 과산화, 불안정한 물질이 된다.

▣ 할로젠, F, Cl, Br, I 는 일반적으로 산화수 -1을 갖는다. 17족 원소이니까 최외각 전자수가 7개 있다.

      그런데 Cl2O라는 분자로 있을 때는 F, Cl, Br, I 계열 원소중 F는 산소보다  전기 음성도가 크지만

      Cl, Br, I 는 산소(O)보다 전기음성도가 크지 않다. 따라서 Cl2O 에서 O는 -2이고

      Cl 원자 하나가 +1을 가질 수 밖에 없다. F를 제외한 Cl, Br, I 는 산소 (O)와 만나면 상황이 달라진다.

▣ 산화반응은 여러가지가 있지만 2 이상의 반응물이 하나로 되는 화합반응이 있다. 칼슘과

     산소가 만나서 산화칼슘, 석회가 되는 과정도 칼슘이 산소에게 전자를 빼앗기고 CaO가

      되는 반응이다.

▣ 분해반응은 하나의 반응물이 2 이상의 생성물로 쪼개지는 반응이다. 산화구리가 가열 등을 통해서

     구리와 산소로 분해되는 과정이 그 예이다.

▣ 치환반응이 제일 중요하다. 위 그림에서 파란색 용액이 황산구리 용액이다. 이 용액에

     쇠 못을 넣는다. 황산구리 용액은 황산 2-, 구리 2+이다. 철이 구리 보다 이온화 경향이 크다.

     이온화 경향에 따라 구리가 전자를 버리고 이온화하여 있는데 철이 구리한테 전자 를 주고

     철이 녹아 들어가서 철이 구리와 치환되게 된다. 철과 구리가 원자로 있던 물질이 이온화되고

     이온으로 있던 물질이 원자로 있게 된다.

▣ 연소반응도 빛과 열을 내면서 산소와 결합하여 격렬하게 타는 것이므로 산화반응이 된다.

​

가. 산화 · 환원 반응의 이용 : 녹슨 철과 용광로

▣ 음극화 보호 (Cathodic protection)라는 것은 선박의 경우 바닷물과 접촉을 한다. 바닷물은

     이온이 가득찬 물인데 이와 접촉하면 부식이 잘 된다. 배는 쇠로 만드는데 쇠가 바 닷물과 접촉하면

     쉽게 부식할 수 있다. 페인트칠 할 수도 있지만 그러면 벗겨질 수도 있다.

     이런 경우 부식을 방지하기 위해서 아연 조각을 붙여 놓는다. 아연이나 마그네슘을

     붙여 놓을 수 있는데 주로 아연을 붙여 놓는다. 아연은 철 보다 먼저 부식이 되면서 산화가 되면서

     전자를 내 놓는다. 내 놓은 전자를 계속하여 철에 공급을 하여 철이 전자를 잃고 산화되어야 하는데

     계속 전자를 공급해 주므로 철이 산화되는 것을 막아 주는, 철의 부식을 방지하는 역할을 하게 된다.

▣ 연소는 물질이 산소분자간에 급격한 산화·환원 반응을 하는 것이다. 연소는 발열, 에너지를

     방출하는 반응이다. 메테인과 산소가 만나게 하면 탄소도 이산화탄소가 되고 산소도  수소를 만나

     물 또는 수증기가 된다. 이런 반응이 일어나는 이유는 원래 산소는 산소원자 로 있을 때는

     같은 산소원자끼리 있으므로 다른 원자의 전자를 끌어 당기지 못한다. 그런 데 이산화탄소를 만나도

     산소가 전기음성도가 크니까 전자를 당기고 수소를 만나도 산 소가 전기음성도가 크니까 전자를 당기고

     산소가 전자를 당기는 힘 자체가 편안해지게 된다. 산소는 전자를 보면 끌어 당기고 싶어서 난리인데

     이산화탄소와 결합하거나 수소와 결합하면서 산소가 전자를 당겨 오기가 쉬워지는 것이다.

     따라서 이런 반응은 폭발적으로 일어나기가 쉽다.

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4. 산화 · 환원반응의 완결

가. 반쪽 반응법 (Half reaction method)을 이용한 산화·환원 반응 완결

▣ 화학식을 완결하기 위해서 추가할 수 있는 화학종 2개

   ① 반응이 수용액에서 일어 날 경우 화학반응식의 균형을 맞추기 위해 물(H2O)을 추가할 수 있다.

  ② 산성 용액에서 반응이 일어나는 경우 반응식의 균형을 맞추기 위해 수소이온(H+)을추가할 수 있다.

        (염기성 용액의 경우 수산화 이온(OH-)을 추가할 수 있다.

3. 양쪽 반응식에 물(H2O) 를 추가하여 산소에 대한 균형을 맞춘다. 각 물질의 산화상태는 변화가 없다.

4. 양쪽 반쪽 반응식에 수소 이온 (H+)을 추가하여 수소에 대한 균형을 맞춘다.

      각 물질의산화상태는 변화가 없다.

5. 양쪽 반쪽 반응식에 전자를 더해 전하 균형을 맞춘다. 전자를 더해 양쪽의 전체 전하가 같도록 해 준다.

7. 마지막으로 균형된 반쪽 반응식을 더한 뒤 양쪽의 전자를 소거하고 나머지 요소들을 표시한다.

<염기성 수용액의 경우>

8. 마지막으로 얻어진 균형식의 수소이온 (H+)마다 양쪽에 수산화 이온 (OH-)을 더해 주고

    두 이온이 결합하여 물(H2O)을 생성하도록 한다.

9. 새롭게 생긴 물 분자로 인해 상쇄되어야 하는 항을 상쇄하여 식을 완성한다.

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예제) 과망가니즈(Permanganate) 이온과 아이오딘(Iodide)이온은 염기성 용액에서 반응하여

        이산화 망가니즈[manganese (Ⅳ) Oxide] 와 아이오딘 분자 (molecular  iodine)를 생성한다.

         반쪽 반응법을 이용하여 반응식을 완결하여라.

[풀이]

⊙ 얼음이 녹는 과정을 보면 흡열반응인데 자발적으로 일어난다. 소금(NaCl)이 물에 녹는

    과정 - 소금을 물에 넣으면 그냥 녹는다. 그런데 이 반응도 흡열반응이다. 흡열하는 양이

    많진 않지만 흡열반응인데 자발적으로 일어난다.

  ∴ 엔탈피만으로 자발성 여부를 알 수 없고 엔탈피와 함께 엔트로피가 반응의 자발성 여부를 결정한다.

​

2. 엔트로피

가. 엔트로피의 정의

  ▣ 계의 엔트로피 (entrophy, S) : 분자 수준의 무질서도, 계의 구성입자들이 배열되는

      경우의 수 및 에너지가 어떻게 퍼져 나가고 (spread out) 또는 어떻게 분산(disperse)

      되는지를 측정하는 것

  ▣ 예를 들어 계가 차지하는 부피가 커질수록 그 엔트로피는 증가

▣ 장벽이 제거되면 더 큰 부피를 차지하기 위해 계의 운동에너지는 분산되고 계의 엔트로피는 증가

예제) 표준 엔트로피 값으로 부터 25[℃]에서의 다음 반응에 대한 표준 엔트로피 변화를 계산하시오.

▣ 더 높은 온도에서 이용가능한 에너지 준위의 수가 더 많아져, 그 준위 내에서 더 많은 수

     의 분자 배열이 가능해져 엔트로피 증가

예제) 각 과정에 대해서 계에 대한 △S의 부호를 결정하시오.

   (a) CaCO3 (S)가 분해되어 CaO(s)와 CO2 (g)를 생성하는 반응 : +

   (b) 45[℃]에서 80[℃]로 브로민 기체의 가열 : +

   (c) NH3 (g)와 HCl (g) 이 NH4Cl (s)을 생성하는 반응 : -

   (d) 물에서 설탕의 용해 : +

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4. 주위의 엔트로피 변화

가. 우주 구성

  ▣ 계 (System) : 전형적으로 탐구하고 있는 우주의 일부분 (화학반응에서 반응물과 생성물)

  ▣ 주위 (Surroundings) : 계를 제외한 모든 것

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  ▣ 과정의 자발성을 정확하게 예측하려면 계와 주위 모두에서 엔트로피 변화를 고려

▣ 얼음은 25[℃]에서 자발적으로 녹는다. 고체에서 액체로 변했으니 엔트로피가 증가했다.

     반면 주위는 엔트로피가 감소한다. 이 반응이 자발적으로 일어 나느냐를 볼려면

    △S계와 △S주위 를 더했을 때 전체적으로 △S우주 전체는 △S계 + △S주위가 된다.

    이 반응이 △S우주 즉, 전체 엔트로피 변화는 "0" 보다 커서 자발적이다. 왜냐하면 반응이

     자발적이려면 무질서도가 큰 쪽으로 계속 반응이 진행된다. 그런데 계의 엔트로피 변화도

     "0"보다 작고 주위의 엔트로피 변화도 "0"보다 작으면 △S우주 즉, 전체 엔트로피 변화는

     △S계 + △S주위 으로 둘다 마이너스 이므로 합도 "0"보다 작게 된다. 이렇게 되면

     자발적인 과정은 없게 된다. 모든 자발적인 과정은 엔트로피 변화가 "0"보다 클 때 일어

     나고 전체 엔트로피 변화가 무질서도가 증가하는 쪽으로 항상 반응이 진행됐다. 이것이

     자연계의 섭리이다.

​

나. △S주위의 계산

  ▣ 엔트로피 변화 △S 주위는 △H계에 정비례

▣ 온도가 증가함에 따라 분자운동이 증가하여 분자의 가능한 배열 수를 증가시키고 계의

    에너지가 분산되면서 접근 가능한 에너지 준위의 수를 증가시킴 ⇒ 계의 엔트로피를 증가 시킴

▣ 어떤 반응이 자발적이려면 △S우주, 전체 엔트로피 변화 즉, △S계 + △S주위 이 "0"보다

    커야 한다. 그런데 이 △S주위 는 측정하기가 어려워 △H주위 / T라고 쓰기로 했다.

    그런데 여기서 열역학 제1법칙 △H계 + △H주위 = 0 이다. 즉 에너지는 생성되거나 소

    멸되지 않는다. 따라서 계가 변화한 양과 주위가 변화한 양을 더하면 "0"이 되어야 한다.

    위 식은 △S계 - △H계 / T는 △S 우주가 된다.

    전체 우주의 엔트로피는 계와 주위의 엔트로피를 합해야 한다. 그런데 식을 변환하여

    우주의 엔트로피를 계의 엔트로피와 계의 엔탈피의 값으로 나타낼 수 있게 되었다.

    반응 물질의 △H는 반응열만 구하면 된다.

    -T△S우주를 △G, 깁스의 자유 에너지 변화라는 이름으로 열역학적 함수를 찾아낸 것이다.

    깁스의 자유에너지 변화값이 "0"보다 작을 때 반응은 자발적이 된다.

​

나. 자유에너지 (Gibbs free energy) 변화 △G

  ▣ 주위나 우주가 아닌 계 자체만을 고려하여 과정의 자발성 여부를 결정할 수 있는

       열역학적 함수를 갖는 고려

라. 교차 온도 계산

예제) △H=199.5 [kJ/mol] 및 △S=476 [J/K·mol]인 반응이 바잘적으로 일어나는 온도 [℃] 를 결정하시오.

   [풀이] 반응이 자발적으로 일어 나려면 △G = △H - T△S < 0 인데

             △H < T△S 으로 199.5 [kJ/mol] < T × 476 [J/K·mol]을 푼다.