아낌없이 주는 나무

위험물 및 지정수량 (위험물 안전관리법 시행령 제2조 및 제3조 별표 1)

화재시 발생되는 연소생성물은 연소가스 (fire gas), 연기(smoke), 화염 (flame) 및 열(heat) 등이 있다. 그러나 화재발생하면 연소가스와 연기는 혼합되어 확산되므로 이들은 구분없이 통칭하여 사용하기도 한다.

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1. 화재시 인간행동

  ① 불안감으로 인한 행동

  ② 공포 (panic)로 인한 행동

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2. 연소생성물의 유해성

고분자 물질 등 유기물의 구성원소는 일반적으로 탄소, 수소를 중심으로 산소, 질소를 함유하는 경우가 많고 여기에 황, 인, 할로겐 (염소, 불소, 브로민 등) 등을 포함하는 경우가 있다. 완전연소의 경우 생성물의 수는 적으며 탄소는 탄산가스, 수소는 물, 산소는 탄산가스 및 물 등의 산화물, 질소는 질소가스, 황은 이황산가스, 인은 오산화인으로 또한 할로겐은 염화수소 등의 할로겐화수소로 된다. 그러나 불완전연소의 경우 상기 생성물 외에 다수의 산화물이나 분해생성물이 발생한다. 발생가능성이 있는 화합물에는 다음과 같은 것들이 있다.

   ① 시각적 유해성

   ② 심리적 유해성

   ③ 생리적 유해성

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3. 연소가스 (fire gas)

연소생성물 중 기체로 발생되는 것을 총칭하여 연소가스 또는 화재가스라고 한다. 건축 재료 및 일반 건축물 내에서 사용하고 있는 각종 재료의 연소생성 가스 중에서 일산화탄소 (CO) 및 이산화탄소 (CO2) 이외의 유해성분으로서 Cyan계 물질, 염화수소계 물질 및 기타 합성수지류 등에서 발생되는 시안화수소 (HCN), 염화수소 (HCl) 및 포스겐 (COCl2) 등 여러가지 유독가스를 들 수 있으며 이들은 그 독성이 상당히 강하여 미량으로도 인체에 위험한 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다. 연소물질에 따라 다음과 같은 생성가스가 발생한다.

특히 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 아황산가스, 암모니아, 시안화수소, 염화수소, 이산화질소, 아크릴로레인 및 포스겐 등이 인체에 가장 치명적인 연소가스로 알려진 대표적인 예에 속한다.

가. 일산화탄소 (CO : Carbon monoxide)

일산화탄소는 가장 유독한 연소가스는 아니지만 양에 있어서는 가장 큰 독성가스 성분이다. 무색, 무취, 무미의 환원성을 가진 가연성 기체이다. 비중은 0.97로 공기보다 가벼우며 (분자량 = 28), 폭발범위는 12.5 ~ 74%이고 물에 녹기 어렵고 공기 속에서 점화하면 청색 불꽃을 내면서 타서 이산화탄소가 된다. 일산화탄소는 혈액 중의 산소운반 물질인 헤모글로빈과 결합하여 카르복시헤모글로빈을 만듦으로써 산소의 혈중농도를 저하시키고 질식을 일으키게 된다. 헤모그로빈의 산소와의 결합력 보다 일산화탄소와의 결합력이 약 250 ~

300 배 높다.

다음표는 일산화탄소의 고기중 농도에 대한 증상이다.

             여기서, Q : 전도열 [cal]

                           t : 전도시간 [sec]

                           k : 열전도율 [cal/sec · ㎝ · ℃]

                           A : 열전달경로의 단면적 [㎠]

                           T : 경로 양단간의 온도차 [℃]

                           x : 경로의 길이 [㎝]

                           dT/dx : 열전달 경로의 온도 구배 [℃/㎝]

어떤 물질의 특성 가운데에 열전도와 가장 밀접한 관계가 있는 것은 그 물질의 열전도율, 밀도 및 비열이다. 이들을 각각 K, ρ 및 C라고 할 때 ρC는 열전도에서 특히 흥미있는 물리적 양이 된다. ρC는 어떤 물질의 단위체적을 단위온도로 상승시키는데 필요한 열량이 된다. 즉, 단위체적당의 열용량이 된다.

열전도가 교량 역할을 한 화재는 화재발생시까지 상당히 장시간이 경과되는 경우도 흔해서 사전에 발생 위험성을 알아차리지 못하는 경우가 잦다.

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3. 대류 (Convection)

증기를 포함한 기체류, 안개와 같이 공간에 분산되어 농무상태를 형성하고 있는 액체상태의 미세입자들, 그리고 액체류에 있어서 고온의 분자 (또는 응축입자)들이 한 장소에서 다른 장소로 움직임으로써 열을 이동시키는 것을 대류라고 한다.

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가. 자연대류

물질의 밀도 차로 인해 고온의 이동성 분자들 (또는 응축입자들)이 별도의 기계적 도움없이도 중력에 의하여 위치를 변화함으로써 일어나는 경우이다.

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나. 강제대류

송풍기나 펌프를 사용하여 고온의 물질을 강제로 이동시켜 대류가 일어나게 하는 것이다.

대규모 건물의 공조설비들은 대부분 강제대류에 의한 열전달 방식을 활용하고 있다. 반면에 난로에 의하여 방안의 공기가 더워지는 현상은 자연대류의 일례로, 난로에 가까운 공기가 전도에 의하여 더워져서 팽창하여 상승하기 때문에 열을 받는 물질이 이동, 순환하는 이른바 자연대류에 의해 열이 실내의 공간에 전달되는 것이다.

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4. 복사 (radiation)

전도와 대류에 의한 열전달에 있어서는 반드시 물질이 열전달매체로 작용하기 때문에 물질의 존재없이는 전도와 대류는 일어나지 않는다. 다시 말해 절대진공에서는 전도와 대류에 의한 열전달은 이루어지지 않는다. 그럼에도 불구하고 열에너지는 절대 진공상태의 공간을 가로질러 이동할 수 있을 뿐 아니라 때로는 물질을 통하여 전달될 수 있는데 그것은 열에너지가 전자파의 한 형태로 이동되기 때문이다. 이러한 에너지 전달의 유형을 복사라고 부른다. 태양으로 부터 오는 복사열은 진공상태의 공간을 아무런 손실없이 진행한다. 그러므로 지상의 물체에 닿아 흡수된다. 복사열은 분자구조가 대칭인 기체, 예를 들면 수소, 산소, 질소 등의 기체 속을 통과할 때는 손실이 없다. 그러므로 공기중을 통과할 때는 수증기, 탄산가스, 이황산가스, 탄화수소와 같은 비대칭성 구조의 분자들, 그리고 기타 오염물질 (연기 등)에 의한 것 외에는 손실없이 진행한다. 그러나 이들 오염물질들이 공기중에서 차지하는 농도는 매우 낮으므로 이것에 의해 흡수되는 열은 무시할 수 있을 정도이다. 그러나 대기중에서 수증기와 탄산가스의 농도가 매우 커지면 복사열의 흡수량은 무시 못할 정도로 현저히 증가한다. 습도가 높은 날의 삼림화재 (森林火災)나 대형의 액화천연가스(LNG) 화재가 습도가 낮은 날에 비하여 상대적으로 위험성이 보다 덜한 것은 이런 이유 때문이다.

분무상태의 미세한 물방울들은 복사열을 거의 대부분 흡수할 수 있기 때문에 물분무를 사용한 복사열의 차단은 매우 효과적인 방법이 될 수 있다. 대형 화재에서 대량의 복사열이 발산되면 호스를 사용하여 방수함으로써 열을 제거하지 않으면 주위의 가연물로 불이 급속히 확대될 것인데 이 때 분무노즐을 사용하여 방수하면 열복사를 차단하는데 탁월한 효과를 얻을 수 있다. 물분무는 복사열의 차단 및 흡수뿐만 아니라 표면에서 반사하는 효과도 있어 복사열을 주위의 공간으로 분산시켜 열에너지를 희석시켜 주기도 한다.

복사체로 부터 방사되는 복사열은 복사체의 단위표면적당 방사열로 정의하여 정량적으로 파악하게 되는데, 그 양은 복사표면의 절대온도의 4승에 비례한다. 이것을 슈테판-볼츠만 (Stefan-Boltzman)의 법칙이라고 하며, 다음과 같은 식으로 나타낸다.​

          여기서, q : 복사체의 단위표면적으로 부터 단위시간당 방사되는 복사에너지 (Watts/㎠)

                       ε : 보정계수 (적외선 파장범위에서 비금속 물질의 경우에는 거의 1에 가까운 값이므로 무시할 수 있음)

                       σ : 슈테판-볼츠만 상수 (≒ 5.67 × 10-12 Watts/㎠ · K4)

                       T : 절대온도 [K]

                       A : 단면적 [㎠]

                       F : 기하학적 factor

5. 화상

6. 공기 온도와 생존 한계시간

【화재의 분류 및 특성】

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1. 화재의 정의

   ① 실화 도는 방화 등 사람의 의도와는 반대로 발생한 연소현상

   ② 사회 공익 · 인명 및 물적 피해를 수반하기 때문에 소화해야 할 연소 현상

   ③ 소화시설이나 그 정도의 효과가 있는 것을 사용해야 할 연소 현상

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2. 화재 성장

가. 일반적인 화재 확대 현상

   ① 발생된 증기가 산소와 발열반응을 하여 고온의 연소생성물을 생성

   ② 고온의 연소생성물은 자연대류에 의해 위로 상승하고 주위로 부터 공기가 유입

   ③ 유입된 공기는 연료와 혼합되어 가연성 증기가 생성

   ④ 가연성 증기가 주위의 열에 의해 다시 발열 반응

나. 건물내에서의 화재 확대 현상

   ① 일반화재에 의해 형성된 고온의 연소생성물이 온도 차이에 의해 천장면으로 부상

   ② 수평면에 도달 후 천장면을 따라 이동

   ③ 이런 유동현상이 개구부가 있으면 연기 및 불기둥이 대기로 방출되거나 화재가 상층으로 확대

   ④ 만일 밀폐되어 있을 경우 불기둥 또는 연기가 아랫부분으로 모임

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3. 화재 발생원인

가. 화재 발생의 직접적인 원인

발화원 · 가연물의 사용 부주의, 방화 등 인위적인 것, 자연발화 (천둥, 벼락 등)

나. 통계에 의한 원인 유형

전기, 마찰, 과열물질, 과열기계, 버너화염, 스파크, 자연발화, 절단 및 용접, 연소 (인접 건물로 부터의 인화), 방화, 화학적 작용, 기타 (정전기, 낙뢰 등)

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4. 화재의 발생 단계

 가. 발화 조건의 형성

       물질 조건과 에너지 조건

나. 발화가 일어나기 위한 이상한 사상의 생성

       물질이나 에너지의 불안전한 상태 + 인간의 불안전한 행동

다. 이를 뒷바침하는 지배적 요인의 존재

       재료나 장치의 결함 · 고장 + 설계 · 시공 불량

라. 이들의 배경이 되는 사회 요인

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5. 화재의 분류

  ※ 굵은 글씨의 물질은 시험에 자주 출제되어 반드시 암기가 필요함

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   ① 폭굉범위 (폭굉한계) : 폭발범위 내에서도 특히 격렬한 폭굉을 생성하는 조성 범위

   ② 르 샤틀리에 (Le Chatelier)의 혼합가스 폭발범위를 구하는 식 ★★★​​

        여기서, L : 혼합가스의 폭발 한계치

                     L1, L2, L3 : 각 성분의 단독 폭발 한계치 (vol%)

                     V1, V2, V3 : 각 성분의 체적 (vol%)

  ③ 위험도 (H) : 가연성 혼합가스의 연소범위에 의해 결정되는 값이다.

폭발성 혼합가스의 용기를 금속제의 좁은 간극에 의해 두 부분으로 격리한 경우 한쪽에 착화한 경우 화염이 간극을 통과하여 다른 쪽의 혼합가스에 인화가 가능한지 여부를 측정할 때 화염이 전파하지 않는 간극의 최대 허용치를 말하며 내용적이 8ℓ, 틈새길이가 25㎜인 표준용기를 사용하며 압력방폭구조에 있어서 대상가스의 폭발등급을 구분하는데 사용하며, 역화방지기 설계의 중요한 기초자료로 활용된다.

  ㉡ 안전간극에 따른 폭발 등급 구분

     ⓐ 폭발 1등급 (안전간극 : 0.6 ㎜ 초과) : LPG, 일산화탄소, 아세톤, 에틸에테르, 암모니아 등

     ⓑ 폭발 2등급 (안전간극 : 0.1 ㎜ 초과, 0.6 ㎜ 이하) : 에틸렌, 석탄가스 등

     ⓒ 폭발 3등급 (안전간극 : 0.4 ㎜ 이하) : 아세틸렌, 수소, 이황화탄소, 수성가스 (CO+H2) 등

6. 연소파와 폭굉파

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가. 연소파

가연성 가스와 공기를 혼합할 때 그 농도가 연소범위에 이르면 확산의 과정은 생략하고 전파속도가 매우 빠르게 되어 그 진행속도가 대체로 0.1 ~ 10 m/s 정도의 속도로 연소가 진해하게 되는데, 이 영역을 연소파라 한다.

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나. 폭굉파

폭굉이란 연소속도 1,000 ~ 3,500 m/s 이상의 극렬한 폭발을 의미하며, 가연성 가스와

공기의 혼합가스가 밀폐계 내에서 연소하여 폭발하는 경우 발생한다. 그 때 발생하는 전파 속도를 폭굉파라 한다.

7. 폭굉 유도거리 (DLD) ★★★

관 내에 폭굉성 가스가 존재할 경우 최초의 완만한 연소가 격렬한 폭굉으로 발전할 때까지의 거리이다. 일반적으로 짧아지는 경우는 다음과 같다.

   ① 정상연소속도가 큰 혼합가스일 수록

   ② 관속에 방해물이 있거나 관 지름이 가늘수록

   ③ 압력이 높을 수록

   ④ 점화원의 에너지가 강할 수록

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8. 방폭구조 (폭발을 방지하는 구조)

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가. 압력 방폭구조

용기내에 질소 등의 보호용 가스를 충전하여 외부에서 폭발성 가스가 침입하지 못하도록 한 구조

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나. 유입방폭구조

전기불꽃, 아크 또는 고온이 발생하는 부분을 기름속에 넣어 폭발성 가스에 의해 인화가 되지 않도록 한 구조

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다. 안전증방폭구조

기기의 정상운전 중에 폭발성 가스에 의해 점화원이 될 수 있는 전기 불꽃 또는 고온이 되어서는 안될 부분에 기계적, 전기적으로 특히 안전도를 증가시킨 구조

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라. 본질안전 방폭구조

폭발성 가스가 단선, 단락, 지락 등에 의해 발생하는 전기불꽃, 아크 또는 고온에 의하여 점화되지 않는 것이 확인된 구조

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마. 내압 방폭구조

대상 폭방성 가스에 대해서 점화능력을 가진 전기불꽃 또는 고온부위에 있어서도 기기 내부에서 폭발성 가스의 폭발이 발생하여도 기기가 그 폭발압력에 견디고 또한 기기 주위의 폭발성 가스에 인화 · 파급하지 않도록 되어 있는 구조를 말한다.

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9. 정전기

두 물체를 마찰시키면 그 물체는 전기를 띠게 되는데 이것을 마찰전기라고도 하며, 이때 발생하는 전기를 정전기 (靜電氣 : Static electricity)라 한다.

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가. 정전기의 발생요인

  ① 물질의 특성 : 정전기의 발생은 접촉, 분리되는 두 물질의 상호작용에 의해 결정되는데, 이것은 대전 서열에서 두 물질

                             이 가까운 위치에 있으면 정전기의 발생량이 적고 반대로 먼 위치에 있으면 발생량이 증가하게 된다.

  ② 물질의 표면상태 : 물질의 표면이 깨끗하면 정전기 발생이 적어지고 표면이 기름과 같은 부도체에 의해 오면되면 산화,

                            부식에 의해 정전기 발생이 많아진다.

  ③ 접촉면과 압력 : 일반적으로 접촉면이 클수록, 접촉압력이 증가할 수록 정전기의 발생량도 증가한다.

  ④ 분리속도 : 분리속도가 빠를수록, 전하의 완화시간이 길면 전하분리에 주는 에너지도 커져서 발생량이 증가한다.

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나. 정전기 대전의 종류

  ① 마찰대전 : 두 물체의 마찰에 의하여 발생하는 현상

  ② 유동대전 : 부도체인 액체류를 파이프 등으로 수송할 때 발생하는 현상

  ③ 분출대전 : 분체류, 액체류, 기체류가 단면적이 작은 분출구에서 분출할 때 발생하는 현상

  ④ 박리대전 : 상호 밀착해 있는 물체가 벗겨질 때 발생하는 현상

  ⑤ 충돌대전 : 분체에 의한 입자끼리 또는 입자와 고체 표면과의 충돌에 의하여 발생하는 현상

  ⑥ 유도대전 : 대전 물체의 부근에 전열된 도체가 있을 때 정전유도를 받아 전하의 분포가 불균일하게 되어 대전되는 현상

  ⑦ 파괴대전 : 고체나 분체와 같은 물질이 파손시 전하분리로 부터 발생된 현상

  ⑧ 교반대전 및 침강대전 : 액체의 교반 또는 수송시 액체 상호간에 마찰접촉 또는 고체와 액체 사이에서 발생되는 현상

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다. 정전기로 인한 재해의 원인

비전도성 물질의 유동, 분출, 마찰, 전기 부도체 유체의 흐름, 인체의 운동 등이 있다.

  ① 정전기 재해의 종류

    ㉠ 생산 재해

    ㉡ 전기 충격 : 정전기가 대전되어 있는 인체 혹은 대전 물체로 부터 인체로 방전이 일어나면 인체에 전류가 흘러 전격

                           재해가 발생한다.

    ㉢ 화재 및 폭발 : 정전기 방전이 점화원이 되어 가연성 물질이 공기와 혼합되어 폭발성 혼합가스를 생성할 때 착화되어

                           연소(화재)와 폭발

  ② 정전기의 예방대책

    ㉠ 접지를 한다.

    ㉡ 공기중의 상대습도를 70% 이상으로 한다.

    ㉢ 유속을 1 m/s 이하로 유지한다.

    ㉣ 공기를 이온화시킨다.

    ㉤ 제진기를 설치한다.

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라. 정전기 방전

  정전기의 방전에 의해 가연성 증기나 기체 또는 분진을 점화시킬 수 있다.​

    여기서, E : 정전기에너지

                 C : 정전용량 (F)

                 V : 전압 (V)

                 Q : 전하량 (C)

                 Q = CV

마. 방전

전지나 축전기 따위의 전기를 띤 물체에서 전기가 밖으로 흘러 나오는 현상

  ① 기체방전 : 본래 중성인 기체 분자가 특정한 상황에서 이온화되어 방전하는 현상

  ② 진공방전 : 진공상태의 유리관 속에 있는 두 개의 전극 사이에 높은 전압을 흐르게 하였을 때 일어나는 방전

  ③ 글로 방전 : 전압을 가하면 전류가 흐름에 따라 글로(희미한 빛)가 발생하는 현상

  ④ 아크방전 : 기체방전이 절정에 달하여 전극 재료의 일부가 증발하여 기체가 된 상태

  ⑤ 코로나 방전 : 기체방전의 한 형태로서 불꽃방전이 일어나기 전에 대전체 표면의 전기장이 큰 곳이 부분적으로 절연,

                          파괴되어 발생하는 발광방전이며 빛은 약함

  ⑥ 불꽃방전 : 기체 방전에서 전극 간의 절연이 완전히 파괴되어 강한 불꽃을 내면서 방전하는 현상

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#발화 #폭발 #산화열 #분해열 #혼촉발화 #폭굉 #박막폭굉 #증기폭발 #폭발범위 #정전기

1. 연소의 정의

연소 (Combustion)는 열과 빛을 동반하는 산화반응으로서 F2, Cl2, CO2, NO2 그리고 산소의 존재가 없는 몇몇 다른 가스(기체) 중에서 일어날 수도 있다. (예를 들면, 금속분 등은 CO2 중에서도 점화할 수 있다)

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가. 완전 연소

더 이상 연소할 수 없는 연소생성물이 생성되는 연소를 말한다.

  ① 탄소 (흑연의 경우)의 연소 : C + O2 (g) → CO2 (g)

  ② 프로판 (C3H8)의 연소 : C3H8(g) + 5O2 (g) → 3CO2 (g) + 4H2O (ℓ)

  ③ 수소의 연소​

나. 불안전연소

부분적인 연소, 재연소가 가능한 생성물이 발생하는 연소를 말한다.​​

다. 산화반응이지만 연소반응이라 할 수 없는 경우

 ① 산화반응이나 발열이 나지 아니하거나 아주 미약한 발열반응인 경우

      4Fe + 3O2 → 2Fe2O3

 ② 산화반응이나 흡열반응인 경우

      N2 + O2 → 2NO - 43.2 kcal (산화반응이지만 흡열반응식)

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 라. 유기화합물이 대기중에서 연소할 경우 완전연소 생성물은 CO2 와 H2O이며 불완전연소인 경우에는 C, CO, CO2,

        H2O, H2 등이 생성된다.

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2. 연소의 구비조건

가. 연소의 필수요소

  연소는 연소되는 물질인 가연성 물질, 가연성 물질을 산화시키는 데 필요한 조연성 물질 (산소 공급원), 가연성 물질과

  조연성 물질을 활성화 시키는 데 필요한 에너지인 점화원이 필요하며, 이러한 3가지 요소를 연소의 3요소라 한다. 그러나

  일반적으로 연소가 계속적으로 진행되기 위해서는 연소의 3요소 이외에 연속적인 연쇄반응이 수반되어야 한다. 이와같이

  가연성 물질, 산소공급원, 점화원 및 연쇄반응을 연소의 4요소라 한다.

     ◈ 연소의 3요소 : 가연성 물질, 산소공급원, 점화원

     ◈ 연소의 4요소 : 가연성 물질, 산소공급원, 점화원, 연쇄반응

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나. 연소의 4요소 특징

  ① 가연성 물질 : 연소가 일어나는 물질로 발열을 일으키며, 산화반응을 하는 모든 물질로 환원제이며 다음과 같은 조건이

                             필요하다.

    ㉠ 산소와의 친화력이 클 것

    ㉡ 고체 · 액체에서는 분자구조가 복잡해질 수록 열전도율이 작을 것

         (단, 기체분자의 경우 단순할 수록 가볍기 때문에 확산속도가 빠르고 분해가 쉽다.

           따라서, 열전도율이 클수록 연소폭발의 위험이 있다.)

    ㉢ 활성화 에너지가 적을 것

    ㉣ 연소열이 클 것

    ㉤ 크기가 작고 접촉면적이 클 것

  ② 산소공급원 (조연성 물질) : 가연성 물질의 산화반응을 도와주는 물질로 산화제이다.

        공기, 산화제 (제1류 위험물, 제6류 위험물 등), 자기반응성 물질 (제5류 위험물), 할로겐 원소 등이 대표적인 조연성

        물질이다.

  ③ 점화원 (열원, heat energy source) : 어떤 물질의 발화에 필요한 최소 에너지를 공급할 수 있는 것으로 정의할 수 있으

                             며, 일반적인 불꽃과 같은 점화원 외에 다음과 같은 것들이 있다.

     ㉠ 화학적 에너지원 : 반응열 등으로 산화열, 연소열, 분해열, 융해열 등

     ㉡ 전기적 에너지원 : 저항열, 유도열, 유전열, 정전기열 (정전기 불꽃), 낙뢰에 의한 열, 아크방전 (전기불꽃 에너지) 등

     ㉢ 기계적 에너지원 : 마찰열, 마찰 스파크 (충격열), 단열 압축열 등

  ④ 연쇄반응 : 가연성 물질이 유기화합물인 경우 불꽃 연소가 개시되어 열을 발생하는 경우 발생된 열은 가연성 물질의

                         형태를 연소가 용이한 중간체 (화학에서 자유 라디칼이라 함)로 형성하여 연소를 촉진시킨다. 이와 같이

                         에너지에 의해 연소가 용이한 라디칼의 형성은 연쇄적으로 이루어지며, 점화원이 제거되어도 생성된 라디

                         칼이 완전하게 소실되는 시점까지 연소를 지속시킬 수 있다. 이러한 현상을 연쇄반응이라고 말하며, 이것

                         을 연소의 3요소에 추가하여 연소의 4요소라고 한다.

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3. 온도에 따른 불꽃의 색상

4. 연소의 분류

가. 정상연소

가연성 물질이 서서히 연소하는 현상으로 연소로 인한 열의 발생속도와 열의 확산속도가 평행을 유지하면서 연소하는 형태이다. 가연물의 성질에 따라서 그 연소속도는 일정하지 않으며 난연성 (難燃性), 이연성 (易燃性), 속연성 (速燃性) 등의 말로 표현되나 어떠한 경우에 있어서도 연소의 경우는 열의 전도이다. 작게는 성냥개비와 담배가 타는 경우에서 부터 크게는 보일러 등에서 연료가 타는 경우 등이다. 즉, 화원으로 부터 끊임없이 타는 것이 연소의 특징이다.

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나. 접염연소

불꽃이 물체와 접촉함으로써 착화되어 연소되는 현상이다. 불꽃의 온도가 높을 수록 타기 쉽다. 이 경우 불꽃이 직접 닿는 곳에는 전도 불꽃이, 가까운 곳에는 복사에 의하여, 멀어질 수록 대류에 의하여 주로 발생한다. 그러나 불꽃은 끊임없이 동요하므로 결국은 전도, 복사, 대류가 가 같이 작용하는 것이라고 보아야 할 것이다.

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다. 대류연소

열기가 흘러 그 기류가 가연성 물질을 가열함으로써 끝내는 그 물질을 착화하여 연소로 유도하는 현상을 말한다. 대류 연소는 기류의 온도가 그다지 높지 아니한 때는 문제가 될 것이 없으나 불꽃이 연소되는 고열이나 또는 고열상태에 있을 때에는 대단히 위험하다.

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라. 복사연소

연소체로 부터 발산하는 열에 의하여 주위의 가연성 물질에 인화하여 연소를 전개하는 현상이다. 복사열은 그 자체는 육안으로는 식별되지 않으므로 당장 그 작용이 격렬히 진행되고 있어도 대상물에 발화될 까지는 판별을 못하여 결국 화재방어에 실패하는 때도 있다. 복사열은 본래 열원의 작용이며 그 작용은 열원의 쌍방에서 사방으로 파급된다.

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마. 비화연소

불티가 바람에 날리거나 혹은 튀어서 발화점에서 떨어진 곳에 있는 대상물에 착화하여 연소되는 현상이다. 비화연소에

대한 화재방어상의 문제는 화원에서 상당한 거리에 있는 장소엪 다수의 새로운 발화점을 만든다는 것이다. 이 불티는 대소가 있으며 그것이 크면 클수록 위험률이 높은 것이다. 그러나 때로는 작은 불티라도 바람, 온도 등의 관계로 화재에 이르게 하는 수가 있다. 또한 불티의 비산거리와 범위는 연소 중인 물질의 종류, 발화점의 분화력, 풍력 등에 따라서 달라진다.

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5. 연소의 형태 (물질의 상태에 따른 분류)

가. 기체의 연소

  ① 확산연소 (불균일 연소) : '가연성 가스'와 공기를 미리 혼합하지 않고 산소의 공급을 '가스의 확산에 의하여 주위에

          공기와 혼합, 연소하는 것. 산소의 공급을 주위의 공기로 부터 얻으므로 특별한 경우를 제외하고는 불꽃의 위치나 모

          양이 변하지 않는 정상연소이기는 하나, 확산에 의해 공기와 접촉할 수 있는 부분에서만 연소가 일어나므로 불의

          세기는 약하며 충분한 연소가 일어나기 어렵다.

  ② 예혼합연소 (균일연소) : '가연성 가스'와 공기를 혼합하여 연소시키는 것. 즉, 가연성 기체를 공기와 일정한 비율로

           혼합시켜 놓고 혼합기체를 점화에 의해 점화하여 연소하는 방식으로 '가연성 가스'와 공기가 적당히 잘 혼합되어

           있어 반응이 빠르고 온도도 높아 폭발적인 연소가 일어나기도 하며, 이러한 형식의 불꽃을 예혼염이라 한다.

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나. 액체의 연소

  ① 액면연소 : 열원으로 부터 연료 표면에 열이 전달되어 증발이 일어나고 발생된 증기가 공기와 접촉하여 유면의 상부에

                        서 확산연소를 하지만 화염 시에 볼 수 있을 뿐 실용 예는 거의 없는 연소 형태이다.

  ② 심화연소 : 모세관현상에 의해 심지의 일부분으로 부터 연료를 빨아 올려서 다른 부분으로 전달되어 거기서 연소열을

                        받아 증발된 증기가 확산연소하는 형태이다.

  ③ 분무연소(액적연소) : 점도가 높고, 비휘발성인 액체를 안개상으로 분사하여 액체의 표면적을 넓혀 연소시키는 형태이

                         다.

  ④ 증발연소 : 가연성 액체를 외부에서 가열하거나 연소열이 미치면 그 액표면에 가연 가스 (증기)가 증발하여 연소되는

                        현상을 말한다. 예를 들어, 등유에 점화하면 등유의 상층 액면과 화염 사이에는 어느 정도의 간격이 생기는

                        데, 이 간격은 바로 등유에서 발생한 증기의 층이다 (알코올, 휘발유).

  ⑤ 분해연소 : 비휘발성이거나 끓는 점이 높은 가연성 액체가 연소할 때는 먼저 열분해하여 탄소가 석출되면서 연소하는

                         데, 이와 같은 연소를 말한다.

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다. 고체의 연소 ★★★

  ① 표면 연소 (직접연소) : 열분해에 의하여 가연성 가스가 발생하지 않고 그 자체가 연소하는 형태로서 연소반응이 고체

                                            의 표면에서 이루어지는 형태이다. 

        ex : 목탄, 코크스, 금속분 등

  ② 분해 연소 : '가연성 가스'가 공기 중에서 산소와 혼합되어 타는 현상이다.

         ex : 목재, 석탄, 종이 등

  ③ 증발 연소 : 가연성 고체에 열을 가하면 융해되어 여기서 생긴 액체가 기화되고 이로 인한 연소가 이루어지는

                         형태이다.

        ex : 양초, 황, 나프탈렌, 장뇌 등

  ④ 내부연소 (자기연소) : 물질 자체의 분자 안에 산소를 함유하고 있는 물질이 연소시 외부에서의 산소공급을 필요로

                          하지 않고 물질 자체가 갖고 있는 산소를 소비하면서 연소하는 형태이다.

        ex : 질산에스터류, 나이트로화합물류 등

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6. 연소에 관한 물성

가. 인화점 (flash point)

가연성 액체를 가열하면서 액체의 표면에 점화원을 주었을 때 증기가 인화하는 액체의 최저온도를 인화점 혹은 인화온도라 하며 이는 인화가 일어나는 액체의 최저 온도이다.

나. 연소점 (fire point)

상온에서 액체 상태로 존재하는 가연성 물질의 연소상태를 5초 이상 유지시키기 위한 온도를 의미하며, 일반적으로 인화점 보다 약 5~10℃ 정도 높은 온도이다.

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다. 발화점 (ignition point, 발화온도, 착화점, 착화온도)

  ① 가연성 물질 또는 혼합물을 공기 중에서 일정한 온도 이상으로 가열하면 가연성 가스가 발생되어 계속적인 가열에 의

        하여 화염이 존재하지 않는 조건ㅁ에서 점화한다. 즉, 점화원을 부여하지 않고 가연성 물질을 조연성 물질과 공존하는

         상태에서 가열하여 발화하는 최저의 온도이다.

  ② 발화점이 낮을 수록 위험성은 증가한다.

  ③ 발화점은 조건에 따라 다양한 수치가 나오므로 비점이나 증기압과 같은 물리적인 상수값은 아니다.

  ④ 발화점에 미치는 중요한 요인으로 가열하는 시간, 촉매 유무, 가연물과 산화제의 혼합, 혼합물의 양, 용기의 상태, 압력,

       점화원의 종류 등이 있으며 표는 가연성 가스의 공기 중 발화점을 여러가지 측정방법으로 측정한 값들을 요약하였다.

<가연성 물질의 발화온도 (착화온도)>

[참고] 인화점이 낮다고 발화점도 낮은 것은 아니다. 예를 들어, 가솔린의 경우 인화점은 -43 ℃로 등유 보다 낮지만, 발화점

           은 300 ℃ 로 등유 보다 높다.

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라. 최소 착화에너지 (최소 점화에너지)

  ① 가연성 혼합가스에 전기불꽃으로 점화시 착화하기 위해 필요한 최소 에너지를 말한다.

  ② 최소 착화에너지는 혼합가스의 종류, 농도, 압력에 따라 다르며, 이론 농도 혼합기 부근에서 일반적으로 최소가 된다.

  ③ 최소 착화에너지가 적을 수록 폭발하기 쉽고 위험하다.

  ④ 최소 착화에너지 (E)를 구하는 공식​

          여기서, E : 착화에너지 (J).

                       Q : 전기량 (C)

                        V : 방전전압 (Volt)

                        C : 전기 (콘덴서) 용량 (F)

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마. 연소범위 (연소한계, 가연범위, 가연한계, 폭발범위, 폭발한계)

  연소가 일어나는 데 필요한 조연성 가스 (일반적으로 공기) 중에 가연성 가스의 농도 (vol %) 이다.

151. Pauli의 배타율 (Pauli exclusion principle)에 대한 설명으로 옳은 것은 ? ①

   ① 한 개의 원자 중에는 4개의 양자수가 똑같은 전자 2개를 가질 수 없다.

   ② 한 개의 전자 중에는 4개의 중성자 수가 똑같은 양자 2개를 가질 수 없다.

   ③ 양자수를 나열하면 각각의 주준위에 속하는 최소 전자수를 계산할 수 있다.

   ④ 자기 양자수를 나열하면 각각의 주준위에 속하는 최대 전자수를 계산할 수 있다.

[풀이] 파울리는 "동일한 양자 상태에 두 개 이상의 전자가 존재할 수 없다"는 원리를 발견했다.

           여기서 양자상태는 4가지 경우가 있다.

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152. 다음 중 알코올의 산화반응에 대한 설명으로 옳은 것은 ? ②

① 1차 알코올은 쉽게 산화되지 않는다.

② 2차 알코올은 산화되어 케톤 (ketone)이 된다.

③ 3차 알코올은 산화되어 알데하이드 (aldehyde)가 된다.

④ 산화반응에서 촉매는 니켈이다.

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153. 원자의 구성입자 중 질량이 가장 가벼운 것은 ? ④

   ① 양성자 (p)        ② 중성자 (n)          ③ 중간자 (m)             ④ 전자 (e)

[풀이] ① 양성자 (p) : 1.673 × 10-24 g

          ② 중성자 (n) : 1.675 × 10-24 g

          ③ 전자 (e) : 9.11 × 10-28 g

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154. 벤젠(C6H6)에 직접 반응하는 라디칼은 ? ③

   ① -OH            ② -NH2             ③ -SO3H                 ④ -COOH

[풀이] 벤젠 술폰산의 알칼리 융해 : 알칼리 융해란 여러가지 유기화합물을 고체의 수산화 알칼리와 함께 가열 · 유해하여

           변화시키는 과정을 말한다.

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155. 염소(Cl)의 산화수가 +3인 물질은 ? ③

   ① HClO4            ② HClO3               ③ HClO2                 ④ HClO

[풀이] H 산화수 = +1

          O의 산화수 = -2

          염소 (Cl) 산화수는 1 × 1 + 염소 (Cl) + (-2) × 2 = 0

          ∴ 염소 (Cl) = 3

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156. 극성 공유결합으로 이루어진 분자가 아닌 것은 ? ④

   ① HF                  ② CH3COOH                 ③ NH3                  ④ CH4

[풀이] 극성 공유결합 : HF, CH3COOH, NH3

           비극성 공유결합 : CH4

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157. 압력이 일정할 때 일정량의 기체의 부피는 절대온도에 비례한다. 다음 중 가장 관련이 깊은 법칙은? ③

   ① 뉴턴의 제3법칙                 ② 보일의 법칙           ③ 샤를의 법칙              ④ 보일 - 샤를의 법칙

[풀이] 샤를의 법칙 : (V/T)p = 일정

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158. 27℃, 2.0 atm 에서 20.0 g의 CO2 기체가 차지하는 부피는 ? ①

         (단, 기체상수 R=0.082 ℓ·atm/mol · K 이다.)

   ① 5.59 ℓ              ② 2.80 ℓ               ③ 1.40 ℓ                ④ 0.50 ℓ

[풀이] PV = nRT, PV = (W/M)RT, V = (WRT)/(PM)

           V = (20g × 0.082 atm ·ℓ/ mol · K × 300K) / (2atm × 44 g/mol) = 5.59 ℓ

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159. 0.2 N, HCl 500 ㎖ 에 물을 가해 2 ℓ 로 하였을 때 pH는 (단, log 5 = 0.7) ①

   ① 1.3               ② 2.3               ③ 3.0               ④ 4.3

[풀이]​

167. 산소 16g과 수소 4g이 반응할 때 몇 g의 물을 얻을 수 있는가 ? ③

   ① 9g          ② 16 g            ③ 18 g             ④ 36 g

[풀이]​

168. 어떤 기체의 확산속도가 SO2의 2배일 때 이 기체의 분자량을 추정하면 얼마인가 ? ①

   ① 16             ② 21              ③ 28              ④ 32

[풀이] 기체의 확산속도​

169. 다음 보기중 유기화합물에 속하는 것은 ? ①

   ① (NH2)2CO              ② K2CrO4            ③ HNO3                ④ CO

[풀이] 유기화합물 : (NH2)2CO

           무기화합물 : K2CrO4, HNO3, CO

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170. 다음 화학반응식의 계수는 ? ①

   ⓧ KOH + ⓨ Cl2 → ⓐ KClO3 + ⓑKCl + ⓒH2O

  ① ⓧ = 6, ⓨ= 3, ⓐ = 1, ⓑ = 5, ⓒ = 3                     ② ⓧ = 3, ⓨ= 6, ⓐ = 1, ⓑ = 5, ⓒ = 3

  ③ ⓧ = 1, ⓨ= 5, ⓐ = 3, ⓑ = 3, ⓒ = 6                     ④ ⓧ = 6, ⓨ= 3, ⓐ = 3, ⓑ = 1, ⓒ = 5

[풀이] 화학반응식 : ⓧ KOH + ⓨ Cl2 → ⓐ KClO3 + ⓑKCl + ⓒH2O

           for K : x = a + b

           for O : x = 3a + c

           for H : x = 2c

           for Cl : 2y = a + b

           Let, C = 1 이라면 x = 2가 될 것이다.​

171. 다음 중 sp3 혼성궤도함수가 아닌 것은 ? ②

   ① CH4           ② BF3            ③ NH3              ④ H2O

[풀이] sp3 혼성오비탈 : CH4, NH3, H2O

          sp2 배위결합 혼성 오비탈 : BF3

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172. 금속의 명칭과 불꽃반응 색이 옳게 연결된 것은 ? ②

   ① Li - 노란색            ② K - 보라색           ③ Na - 진한 빨간색              ④ Cu - 주황색

[풀이] Li - 빨간색, Na - 노란색, Cu - 녹색

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173. 다음 설명 중 옳은 것은 ? ③

   ① Cu2O는 산화 제2구리이다.           

   ② 산소의 1g당량은 8g 이다.

   ③ 어떤 물질의 화학적 성질을 나타내려면 화학식을 구조식으로 나타내는 것이 가장 좋다.

   ④ 일정한 압력에서 일정량의 기체 부피는 절대 온도에 비례하는 것을 보일의 법칙이라 한다.

[풀이 ① Cu2O는 산화구리이다.

         ② 산소의 1g 당량은 16g 이다.

         ④ 일정한 압력에서 일정량의 기체 부피는 절대온도에 비례하는 것을 샤를의 법칙이라 한다.

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174. 고급 지방산과 고급 1가 알코올로 부터 만들어지는 고형 에스터를 무엇이라고 부르는가 ? ②

   ① 와세린             ② 왁스             ③ 테로우               ④ 버터

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175. 표준상태에서 질량이 0.8g 이고 부피가 0.4 ℓ 인 혼합 기체의 평균분자량 (g/mol)은 ?

   ① 22.2            ② 32.4              ③ 33.6                ④ 44.8

[풀이] 아보가드로의 법칙에 의하면 모든 기체 1 mol이 차지하는 부피는 표준상태에서 22.4ℓ를 차지한다.​

176. 원형 직관 속을 흐르는 유체의 손실수두에 관한 사항으로 옳은 것은 ? ④

   ① 관의 길이에 반비례한다.            ② 중력가속도에 비례한다.

   ③ 관의 직경에 비례한다.                ④ 유속의 제곱에 비례한다.

[풀이]

   여기서, f 마찰손실계수, l : 길이, D : 관직경, g : 중력가속도, v : 유속

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177. 무수황산 (Sulfer trioxide)이 물과 반응하여 생성하는 물질은 ? ④

   ① H2SO4 와 Cl2                       ② H2SO4 와 SO3

   ③ H2SO 와 SO3                       ④ H2SO4

[풀이] SO3 (무수황산) + H2O → H2SO4

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178. 하이드록실기 (-OH)를 갖는 물질 중 액성이 산성인 것은 ? ③

   ① NaOH          ② CH3OH              ③ C6H5OH                  ④ NH4OH

[풀이] 염기성 : NaOH, CH3OH, NH4OH

           산성 : C6H5OH

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179. H2SO4 에서 S의 산화수는 얼마인가 ? ④

   ① 1             ② 2             ③ 4                 ④ 6

[풀이] H 산화수 = 1

          O 산화수 = -2

          S 산화수는 1 × 2 + S + (-2 × 4) = 0, ∴ S = 6

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180. 소방수조에 물을 채워 직경 4 ㎝의 파이프를 통해 8 m/sec 의 유속으로 흘려 직경 2 ㎝의 노즐을 통해 소화할 때 노즐

         끝에서 유속은 ? ③

   ① 16 m/sec           ② 24 m/sec             ③ 32 m/sec              ④ 64 m/sec

[풀이] Q = av = π/4 · d2 × v​

181. 분자량 78인 어떤 물질 6g이 1atm, 90℃ 에서 차지하는 부피는 ? (단, 이상기체로 취급하며 R = 0.082 atm · ℓ/mol · K

         이다) ②

   ① 1.29 ℓ             ② 2.29 ℓ             ③ 3.29 ℓ                ④ 4.29 ℓ

[풀이]​

182. 다음 중 유량을 측정하는 계측기구가 아닌 것은 ? ②

   ① 오리피스미터             ② 마노미터            ③ 로터미터                ④ 벤투리미터

[풀이] 유량측정 : 오리피스 미터, 로터미터, 벤츄리미터, 위어, 노즐

           압력측정 : 마노미터

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183. 산소 32g과 질소 56g 을 기온 20℃에서 30 ℓ의 용기에 혼합하였을 때 이 혼합 기체의 압력(atm)은 ?

        (단, 이상기체로 취급하며 R = 0.082 atm · ℓ / mol · K 이다.) ②

   ① 약 1.4               ② 약 2.4                ③ 약 3.4                   ④ 약 4.4

[풀이]

184. 유체의 유입방향과 유출방향이 같으나 유체가 밸브 내에서 직각 방향으로 꺾이고 밸브의 개폐가 용이하여 유량조절

         이 쉬운 밸브는 ? ①

   ① 글로브 밸브         ② 게이트 밸브           ③ 체크밸브                  ④ 버터플라이 밸브

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185. 40%의 산소와 60%의 질소로 구성되어 있는 기체 혼합물의 평균분자량은 몇 g/mol인가 ? ④

   ① 20.1             ② 22.2                ③ 26.4                 ④ 29.6

[풀이] 산소 O2의 분자량 : 32, 질소 N2의 분자량 : 28

           혼합물의 분자량 : 32 × 0.4 + 28 × 0.6 = 29.6

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186. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O인 메탄의 연소반응에서 메탄 1 ℓ 에 대해 필요한 공기 요구량은 약 몇 ℓ 인가 ? (단, 0℃,

         1atm이고, 공기중의 산소는 21%로 계산한다.) ②

   ① 2.4             ② 9.5              ③ 15.3                    ④ 21.1

[풀이] 산소 O2 요구량 : 메탄 1mol에 산소 2mol이 필요하므로 메탄 1ℓ에는 산소 2ℓ가 필요하다.

           그런데 공기중에 산소가 21%가 포함되어 있으므로 공기요구량은 2 ℓ × 100 / 21 = 9.52

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187. 에탄올 1몰이 표준상태에서 완전연소하기 위해 필요한 공기량은 약 몇 ℓ인가 ? ③

   ① 122             ② 244           ③ 320                  ④ 410

[풀이] C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

          에탄올 1mol에 산소 3mol이 필요하므로 산소요구량의 부피는 3 × 22.4 ℓ = 67.2 ℓ

          공기중의 산소량은 21%를 차지하므로 공기요구량은 67.2 × 100 / 21 = 320 ℓ

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188. 알코올류의 탄소수가 증가함에 따른 일반적인 특성으로 옳은 것은 ? ③

   ① 인화점이 낮아진다.                    ② 연소범위가 넓어진다.

   ③ 증기비중이 증가한다.                ④ 비중이 증가한다.

[풀이] 탄소수가 증가할 수록 변화하는 현상

   ㉠ 인화점이 높아진다.

   ㉡ 증기비중이 커진다.

   ㉢ 발화점이 낮아진다.

   ㉣ 연소범위가 좁아진다.

   ㉤ 수용성이 감소된다.

   ㉥ 비등점, 융점이 좁아진다.

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189. 물분무소화에 사용된 20 ℃ 의 물 2g이 완전히 기화되어 100 ℃ 의 수증기가 되었다면 흡수된 열량과 수증기 발생량은

        약 얼마인가 ? (단, 1기압을 기준으로 한다.)

   ① 1,240 cal, 2,400 ㎖                  ② 1,240 cal, 3,400 ㎖

   ③ 2,480 cal, 6,800 ㎖                  ④ 2,480 cal, 10,200 ㎖

[풀이] Q1 (현열 : 상태변화없이 온도가 변화될 때 필요한 열량) = G × C (t2 - t1)

          Q1 = 2 × 1 × (100 - 20) = 160 cal

          Q2 (잠열 : 온도 변화없이 상태를 변화시키는데 필요한 열량) = G × r = 2g × 539cal/g = 1,078cal

          ∴ 열량 = Q1 + Q2 = 160 cal + 1,078 cal = 1,238 cal

          또한, 1g의 물이 (액상에서) 기체 상태로 변화할 때 표준대기압에서의 체적 변화는 1,670배로 증가

          하므로 수증기 발생량은 2g × 1,670 ㎖ / g = 3,340 ㎖

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190. 다음 중 염소(Cl)의 산화수가 +3 인 물질은 ? ③

   ① HClO4             ② HCLO3              ③ HClO2                ④ HClO

[풀이] H 산화수 1, O 산화수 = -2

          염소 산화수 (Cl) 3 : 1 × 1 + 염소(Cl) 3 + (-2 × X) = 0, 2X = 4, X = 2

           ∴ 염소 산화수 (Cl) 3인 물질은 HClO2

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191. 유체의 물리적 성질에 대한 설명 중 틀린 것은 ? ④

   ① 물은 일반적으로 비압축성으로 가정한다.                     ② 유체의 중량은 질량과 중력가속도의 곱이다.

   ③ 액체에서의 기체 용해도는 압력이 높을수록 크다.        ④ 액체에서의 기체 용해도는 온도가 높을수록 크다.

[풀이]

   ㉠ 물은 일반적으로 비압축성으로 가정한다.

   ㉡ 유체의 중량은 질량과 중력가속도의 곱이다.

   ㉢ 액체에서의 기체 용해도는 압력이 높을수록 크다.

   ㉣ 액체의 물에 대한 용해도는 온도가 올라가면 증가하는 것이 많은데, 기체의 용해도는 일반적으로 온도가 올라가면

        감소한다.

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192. 원소주기율표상의 같은 주기에서 원자번호가 증가함에 따라 일반적으로 증가하는 것이 아닌 것은? ③

   ① 원자가 전자수           ② 비금속성            ③ 원자 반지름               ④ 이온화 에너지

[풀이] 원소 주기율표상의 같은 주기에서 원자번호가 증가함에 따라 원자가 전자수, 비금속성, 이온화에너지는 증가하나

          원자반지름은 감소한다.

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193. 프로판 가스 3ℓ를 완전연소시키려면 공기 약 몇 ℓ 가 필요한가 ? (단, 공기중 산소는 20% 이다.) ④

   ① 15               ② 25                 ③ 50                     ④ 75

[풀이] C3H8 + 5 O2 → 3CO2 + 4H2O

         프로판 1mol을 완전연소시키기 위해서는 5mol의 산소가 필요하다.

         프로판 3ℓ를 완전연소시키기 위해서는 15 ℓ의 산소가 필요하다. 그런데 공기중 산소는 20%이므로

         프로판 3ℓ를 완전연소시키기 위한 필요 공기량은 15 × 100/20 = 75 ℓ 이다.

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194. 황화수소가스의 밀도 (g/ℓ)는 27℃, 2기압에서 약 얼마인가 ? ③

      ① 2.11               ② 2.42                 ③ 2.76                   ④ 2.98

[풀이]​

195. 64g의 메탄올이 완전연소되면 몇 g의 물이 생성되는가 ? ③

    ① 36                ② 64                   ③ 72                      ④ 144

[풀이] 2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O

          2 mol의 메탄올이 완전연소하면 4 mol의 물이 생성된다.

          메탄올 CH3OH 의 분자량은 12+3+16+1 = 32 g/mol이므로 메탄올 64 g은 2mol 이다.

          메탄올 2 mol 64g이 반응을 하면 물 H2O 4mol이 발생한다.

          물 H2O, 1mol은 18g이다. 그러므로 18g × 4 = 72 g이다.

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196. 다음 금속 원소 중 이온화 에너지가 가장 큰 원소는 ? ①

   ① 리튬             ② 나트륨               ③ 칼륨                     ④ 루비듐

[해설] 원자번호가 작을 수록 이온화 에너지가 크다.

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197. 다음중 은백색의 금속으로 가장 가볍고, 물과 반응시 수소가스를 발생시켜는 것은 ? ③

   ① Al              ② K                  ③ Li                ④ Si

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#보일 #샤를 #이상기체 #산화수 #배타율 #벤젠 #방향족 #콜로이드 #동소체 #확산속도 #혼성궤도

#혼성오비탈 #하이드록실기 #밀도 #에탄올 #메탄올

1. 혼성 오비탈 (Hybrid Orbital)

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오비탈 (orbital)이론이 정립되고 원자들이 결합하여 분자를 형성하는 이유에 대한 가장 직관적인 설명은 전자구름이 겹쳐서 공유결합을 형성한다는 것이었다. 그런데 이러한 원자 오비탈의 모형으로는 이미 알려져 있는 각종 분자의 결합형태를 설명할 수가 없었다.

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예를 들면 메테인 (CH4)분자에서 C가 H와 결합할 때 2S와 2P 오비탈이 결합에 참여하는데 본래 C에 존재하는 3개의 2P 오비탈은 서로 직각이다. 따라서 이들이 C-H결합을 형성하면 결합각이 90°가 되어야 하지만 실제 메테인의 결합각은 109.5°으로 정사면체 구조를 이룬다.

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또한 C의 2p와 H의 1s 사이의 중첩에 의한 3개의 결합과 C의 2s와 H의 1s 사이의 중첩에 의한 1개의 결합이 생기면 2p와 2s의 에너지가 엄연히 다르므로 결합길이나 에너지가 차이가 나야한다. 그러나 메테인에 존재하는 4개의 공유결합은 모두 결합길이나 에너지가 동일하다.

이러한 현상을 설명하기 위해 등장한 이론이 바로 혼성 오비탈(Hybrid Orbital)이다.

혼성 오비탈을 형성하기 위한 혼성화 (Hybridization)란 결합을 형성하기 위하여 원래의 원자 궤도함수들이 혼합되어 새로운 궤도함수를 형성하는 것을 의미한다.

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2. 혼성 오비탈의 종류

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가. sp3 혼성화 (sp3 Hybridization)

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정사면체 구조를 가진 원자 궤도함수를 이루는 원자는 그 중심원자가 sp3 혼성화를 이룬다. 다시말해 입체수가 4인 분자에서 중심원자는 sp3 혼성 오비탈을 가진다고 할 수 있다.

1개의 s 오비탈과 3개의 p오비탈이 혼성되어 새로운 4개의 혼성오비탈을 형성한다.

이들 혼성오비탈 안의 전자들은 모두 에너지 준위가 같다.

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그러나 비공유 전자쌍이 있으면 그들 사이의 반발력이 결합에 참여한 전자보다 더 크기 때문에 결합각이 작아진다는 것을 알고 있을 것이다.

이 때의 에너지 준위차이를 설명하기 위해서는 분자 오비탈의 개념까지 다뤄야 한다. 비공유 전자쌍의 반발력이 더 큰 이유는 비공유전자쌍은 중심원자로 부터남 인력이 작용하기 때문이다. 서로 밀어내는 작용하는 전자가 가까이 붙어 있으니 반발력이 더 크다.

나. sp2 혼성화 (sp2 Hybridization)

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1개의 S 오비탈과 2개의 p 오비탈이 혼성화되어 새로운 3개의 혼성 오비탈을 형성한다.

이 때 나머지 한개의 p 오비탈은 혼성에 참여하지 않고 sp2 혼성 오비탈의 평면에 수직 방향으로 놓이게 된다. 세개의 유효한 시그마 결합을 가졌다면 sp2 혼성 오비탈을 가지는 것이다.

따라서 p 오비탈 하나는 빈 오비탈이 되는데 이렇게 빈 오비탈을 가진 분자들이 루이스산으로 잘 작용한다.

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배위 결합은 BF3 같은 분자들이 그 예시이다.

다. SP 혼성화 (SP Hybridization)

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1개의 s 오비탈과 1개의 p 오비탈이 수학적으로 혼합되어 2개의 새로운 혼성 오비탈을 형성한다.

에타인 (C2H2)의 분자를 생각해 보면 혼성화에 참여하지 않은 2개의 p오비탈이 sp 혼성 오비탈끼리 결합하여 형성된 시그마 결합에 수직하게 (각각 수직하게) 파이결합을 각각 형성한다. 이러한 삼중결합은 두개의 파이결합이 끊어지기 전까지 평면구조를 유지하는데 기여한다.

라. sp3d 혼성화 (sp3d Hybridization)

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중심원자의 입체수가 5인 PCl5와 같은 분자에서 중심원자는 5개의 동일한 공유결합을 한다. 따라서 P는 5개의 동일한 오비탈을 사용하여야 한다. P과 같은 3주기 이후의 원소들은 에너지가 그리 높지 않은 d 오비탈을 최외각에 가지고 있다.

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따라서 d 오비탈을 쉽게 활용할 수 있다. 즉 PCl5 의 P원자는 1개의 3s, 3개의 3p와 함께 3d 오비탈을 1개 섞음으로써 5개의 동일한 dsp3 혼성 오비탈을 형성한다. 입체수가 5인 다른 분자들의 중심원자들도 같은 혼성을 한다.

마. sp3d2 혼성화 (sp3d2 Hybridization)

비슷하게 입체수가 6인 SF6 와 같은 분자들은 중심원자는 1개의 S, 3개의 p, 그리고 d 오비탈 2개를 섞어 6개의 동일한 d2sp3 혼성 오비탈을 형성한다.

<추가 예시>

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#오비탈 #혼성화 #혼성오비탈 #메테인 #에타인 #배위결합 #공유결합

1. 공명구조

▣ 공명구조란 ?

   비결합 전자쌍이나 다중결합(π 전자)을 가지고 있는 분자들을 하나의 구조식으로만 나타내기 어려운 경우, 존재 가능한

   2개 이상의 구조를 양쪽 머리 화살표와 대괄호를 사용해 나타낸 것

   ⊙ 공명구조는 가상적인 것임 (실제구조 아님)

   ⊙ 실제구조는 각 공명구조의 혼성체

   ⊙ 움직일 수 있는 전자는 비공유 전자 또는 π결합 전자

   ⊙ 안정된 공명구조일 수록 실제 구조에 대한 기여도가 높다.

        (실제구조는 가장 안정한 공명구조를 닮아 있다)

   ⊙ ↔ 로 연결된 각각을 공명구조라 함

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2. 가장 안정한 공명구조

 가. 2주기 (C, N, O, F)가 중심원자인 경우

   1순위 : 옥텍규칙을 만족하는 구조

   2순위 : 형식전하의 크기가 작은 구조

   3순위 : 형식전하의 위치가 (-)는 *EN이 큰 원자에

                                              (+)EN이 작은 원자에 있는 구조

     *EN : 전기 음성도

나. 중심원자가 2주기 (C, N, O, F)가 아닌 경우

     옥텍을 초과하더라도 형식 전하의 크기가 작아지는 것에 우선 순위를 둔다.

3. 형식전하

   형식전하의 합 = 전체 전하량

   형식전하의 크기가 작을 수록 1순위

   형식전하의 위치는

      (-) 형식전하는 전기음성도가 큰 원자에

      (+) 형식전하는 전기음성도가 작은 원자에

      배치하는 것이 안정하다. (2순위)

   형식전하 = 중성원자의 전자수 - 현재 원자가 갖는 형식 전하수

   산화수 = 중성원자수 - 현재 원자가 갖는 산화전자수

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4. 옥텍 규칙 예외

가. 전자 부족 분자 (2족, 13족)

 나. 홀수 전자 분자 (질소와 같은 경우)

       NO2 또는 NO의 경우

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5. 옥텍 확장

  ▣ 중심원자가 3주기 이상 원자에서 가능

         ClF3                   SF4

         SO3                    I3-

         XeF4                   POCl3

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