네 자료들마다 내용의 차이가 있어서 혼란스러우신 것 같습니다. 너무 심각하게 고민하실 필요는 없으며 slater's rule은 제가 이해를 돕기 위함이었으므로 간단히 이해하시는 정도면 AP 시험 준비로는 충분합니다. 너무 세세한 내용까지 생각하시다가 큰 줄기를 놓쳐 시험에서 혼동이 되면 매우 곤란한 상황이거든요
우선 제가 수업시간에 말씀드린 내용으로 보시는 것이 타당합니다. 제 경험상 국제적으로 통용되는 교재에서 이와 같은 내용을 부정한 교재는 없었습니다. 또한 제가 당부드리고 싶은 부분은 전체적인 경향만을 이해하시는 것으로 충분합니다. 사실 원자모형에 대하여 현대 원자모형에서는 슈뢰딩거 방정식을 이용하여 문제를 해결하지만 전자가 2개인 시스템은 한번에 문제를 해결할 수 없습니다. 아직 우리가 모르는 부분과 예측할 수 없는 부분이 너무나도 많다는 것입니다. 즉 계산된 값들은 대부분 근사가 적용되는 것이고 계속 정확한 값에 도달하고 싶어하지만 양자역학적으로 하이젠베르크의 불확정성의 원리에 의해 모든 것을 정확히 알 수는 없습니다.
주기성에 관련된 내용은 말 그대로 우리가 확인한 관찰사실에 대하여 정리한 것에 지나지 않습니다. 학생이 언급하신 사이트의 valence electron에 대한 effective nuclear force의 그래프를 보셔도 계산값을 보셔도 다 같은 그룹에서 아래로 가면 effective nuclear force가 큽니다.
학생이 말씀하신 d block에 해당하는 element의 chemistry는 representative element의 chemistry보다 훨씬 더 복잡하며 간단히 정리할 수 없습니다. 학생이 질문하신 내용에 대해서만 언급한다면 과연 d block의 valence electron 은 무엇인가입니다. 예를 들어 Fe [Ar]4s23d6가 만약 +2 이온이 된다면 [Ar]3d6이고 +3이 된다면 [Ar]3d5입니다. 이 경우 valence electron이 무엇일까요? 학자들마다 말하는 내용이 조금씩 다릅니다. principal number가 큰 4s 오비탈의 electron이라는 사람도 있고 어차피 이온화가 된다는 것은 반응성이 있는 상황이므로 이온화되는 3d 오비탈의 전자도 valence로 봐야 한다는 사람도 있습니다. 한편 만약 Fe3+ 이온에 전자가 들어간다면 어디에 들어갈까요 4s 일까요 아님 3d일까요 3d 에 들어갑니다, 우리는 multielectronic atom의 경우 4s 오비탈의 에너지가 3d 보다 낮은 것으로 알고 있습니다. 맞습니다. 그런데 d block의 element가 이온화가 되면 3d 오비탈이 상당히 안정해져서 이온에 전자를 첨가할 때 d에 들어가야 하는 경우가 생긴다는 것입니다. 이렇든 매우 복잡한 chemistry가 있고 이러한 내용은 AP 수준의 것이 아니므로 고민하실 필요없습니다.
한편 3d와 4p를 말씀하셨는데 period 4의 d block의 element들은 비롯 period가 4이지만 전자가 채워질 때 4번째 shell이 아닌 3번째 shell(3d)에 전자가 채워지므로 effectvie nucleus force에서 proton이 증가한 효과가 4p 오비탈에 electron이 들어가는 것보다 크게 나타납니다. 여기서는 같은 껍질이 아닌데 원자번호가 증가하면 Zeff가 감소를 했군요 (이러한 내용이 혼돈의 원인이 되는데 그러한 이유로 AP나 심지어 대학 1학년 학생들은 이런 내용을 다루지 않습니다.)
한편 같은 그룹에서 원자번호가 증가할 때 Zeff가 증가하는 현상에 대해서는 오히려 이렇게도 말합니다. 껍질이 증가하면 core electron이 존재하는 영역도 넓어지고 (핵을 중심으로 약간은 듬성듬성 있는 개념 정도로 이해) valence electron에 대한 shieliding이 오히려 감소하며 같은 그룹에서 원자번호가 증가하면 zeff가 약각씩 커집니다. 이는 다시 한번 말씀드리지만 학생이 언급한 주소의 그림에서도 마찬가지 경향입니다.
마지막으로 electron affinity에 대한 질문이신데요 학생이 혼돈스러운 이유는 어떤 특정한 논리로 모든 내용을 다 해결하려고 하기 때문에 발생하는 것입니다. 제가 항상 강조하는 말이지만 자연과학은 관찰이 먼저입니다. 관찰사실에 대해 타당하게 설명하는 것이 전분입니다. 또한 electron affinity의 경우 periodicity가 다른 항목에 비해 낮다고도 하였습니다. 특히 그룹 13~17까지는 period 3의 element가 period 2보다 더 크다고 했습니다. 이는 period2의 껍질의 문제라고 하였습니다. 즉 껍질이 무조건 작다고하여 electron affinity가 큰 것은 아닙니다.
다시 정리하면 수업시간에 제가 정리해드린 내용으로 정리를 해주시면 됩니다. 학생이 질문을 주시는 내용은 너무도 당연하게 고민이 되는 부분의 문제입니다. 생각을 많이 하셨기 때문에 정리를 잘 하시면 됩니다.
AP 는 개략적인 경향을 묻지 slater rule까지를 고려하라고 하지 않습니다. 또한 slater rule역시 불변의 진리가 아니라 어떤 과학자의 제안인것입니다. zeff에 대한 자료는 이외에도 너무 많습니다. 이는 달리 말하면 zeff를 정확하게 구할 수 없는 것이고 우리는 개략적인 값만을 알 수 있다는 것인데 어려운 말이지만 양자역학(quantum mechanics)이 그러합니다.
이러 저러한 것을 모두 감안한 zeff의 경향과 달리 위로 갈수록 electron affinity가 커지는 현상은 원자핵 주변에 가깝게 존재하고 안정화될 수 있다고 설명하는 것외에 zeff가 커지기 때문이라고 할 수는 없습니다. 실험적 결과가 그러하지 않기 때문입니다. 또한 학생이 말씀하신 것처럼 (비록 effective nuclear charge는 작아지지만) 이라는 표현 자체를 하지 않습니다. 왜냐하면 현상을 설명하는데 전혀 도움이 되지 않기 때문입니다. 즉 우리가 아직 해결하지 못한 부분이 너무나도 많음을 의미하는 것이기도 합니다. 그래서 특히 이런 내용을 공부할 때 논리적이다라고 생각하든지 너무 당연한 것 아니냐는 등의 학습방법이 가장 위험해지게 됩니다.
학생은 많이 고민을 하셨기 때문에 이러한 결론이 납득하기 어려우실 수도 있습니다. 비교의 관점이 대상에 따라 바뀌는 것도 잘 이해가 되지 않을 수 있습니다. 하지만 자연과학은 실재 또는 실체를 이론보다 아래에 두기 시작하면 너무도 어려워지게 됩니다.
주기성에 대한 부분은 강의 교재를 참고하여 이해하시면 충분합니다. 이는 과학자들의 탐구 결과를 정리한 것이기 때문에 이러한 내용을 알아두는 정도로 충분하며 이것이 우리 시헙의 범위이기도 합니다.
글을 길게는 썼지만 속시원하게 해결해드렸는지는 모르겠네요. 그래도 답변이 도움이 되었기를 바랍니다.
