Linear Combinations of Atomic Orbitals (LCAOs)


Give an appropriate set of LCAOs for the indicated geometry.
1. sp linear geometry
2. sp2 trigonal planar geometry
3. sp3 tetrahedral geometry (no unique axis)
4. sp3 tetrahedral geometry (one bond along an axis)
5. sp3 tetrahedral geometry (pairs of bonds in a plane)
6. sp3d trigonal bipyramidal geometry
7. sp3d square pyramidal geometry (axial-base angle = 90°)
8. sp3d square pyramidal geometry (axial-base angle > 90°)
9. sp3d2 octahedral geometry
10. sp2d square planar geometry

 

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Solutions


  
1. sp linear geometry:

ψ1  =  1 φs  +  1 φpz
 
2 2
 
ψ2  =  1 φs  −  1 φpz
 
2 2
 
   
   
  
2. sp2 trigonal planar geometry:

ψ1  =  1 φs  +  2 φpx
 
3 3
 
ψ2  =  1 φs  −  1 φpx  +  1 φpy
 
3 6 2
 
ψ3  =  1 φs  −  1 φpx  −  1 φpy
 
3 6 2
 
   
   
  
3. sp3 tetrahedral geometry (no unique axis):

ψ1  =  1 φs  +  1 φpz  +  1 φpx  +  1 φpy
 
4 4 4 4
 
ψ2  =  1 φs  +  1 φpz  −  1 φpx  −  1 φpy
 
4 4 4 4
 
ψ3  =  1 φs  −  1 φpz  +  1 φpx  −  1 φpy
 
4 4 4 4
 
ψ4  =  1 φs  −  1 φpz  −  1 φpx  +  1 φpy
 
4 4 4 4
 
   
   
  
4. sp3 tetrahedral geometry (one bond along an axis):

ψ1  =  1 φs  +  3 φpz
 
4 4
 
ψ2  =  1 φs  −  1 φpz  +  2 φpx
 
4 12 3
 
ψ3  =  1 φs  −  1 φpz  −  1 φpx  +  1 φpy
 
4 12 6 2
 
ψ4  =  1 φs  −  1 φpz  −  1 φpx  −  1 φpy
 
4 12 6 2
 
   
   
  
5. sp3 tetrahedral geometry (pairs of bonds in a plane):

ψ1  =  1 φs  +  1 φpz  +  1 φpx
 
4 4 2
 
ψ2  =  1 φs  +  1 φpz  −  1 φpx
 
4 4 2
 
ψ3  =  1 φs  −  1 φpz  +  1 φpy
 
4 4 2
 
ψ4  =  1 φs  −  1 φpz  −  1 φpy
 
4 4 2
 
   
   
  
6. sp3d trigonal bipyramidal geometry:

ψ1  =  1 φs  +  1 φpz  +  3 φdz2
 
5 2 10
 
ψ2  =  1 φs  −  1 φpz  +  3 φdz2
 
5 2 10
 
ψ3  =  1 φs  +  2 φpx  −  2 φdz2
 
5 3 15
 
ψ4  =  1 φs  −  1 φpx  +  1 φpy  −  2 φdz2
 
5 6 2 15
 
ψ5  =  1 φs  −  1 φpx  −  1 φpy  −  2 φdz2
 
5 6 2 15
 
   
   
  
7. sp3d square pyramidal geometry (axial-base angle = 90°):

ψ1  =  1 φpz
 
1
 
ψ2  =  1 φs  +  1 φpx  +  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
ψ3  =  1 φs  −  1 φpx  +  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
ψ4  =  1 φs  +  1 φpy  −  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
ψ5  =  1 φs  −  1 φpy  −  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
   
   
  
8. sp3d square pyramidal geometry (axial-base angle > 90°):

ψ1  =  1 φs  +  4 φpz
 
5 5
 
ψ2  =  1 φs  −  1 φpz  +  1 φpx  +  1 φdx2−y2
 
5 20 2 4
 
ψ3  =  1 φs  −  1 φpz  −  1 φpx  +  1 φdx2−y2
 
5 20 2 4
 
ψ4  =  1 φs  −  1 φpz  +  1 φpy  −  1 φdx2−y2
 
5 20 2 4
 
ψ5  =  1 φs  −  1 φpz  −  1 φpy  −  1 φdx2−y2
 
5 20 2 4
 
   
   
  
9. sp3d2 octahedral geometry:

ψ1  =  1 φs  +  1 φpz  +  1 φdz2
 
6 2 3
 
ψ2  =  1 φs  −  1 φpz  +  1 φdz2
 
6 2 3
 
ψ3  =  1 φs  +  1 φpx  −  1 φdz2  +  1 φdx2−y2
 
5 2 12 4
 
ψ4  =  1 φs  −  1 φpx  −  1 φdz2  +  1 φdx2−y2
 
5 2 12 4
 
ψ5  =  1 φs  +  1 φpy  −  1 φdz2  −  1 φdx2−y2
 
5 2 12 4
 
ψ6  =  1 φs  −  1 φpy  −  1 φdz2  −  1 φdx2−y2
 
5 2 12 4
 
   
   
  
10. sp2d square planar geometry:

ψ1  =  1 φs  +  1 φpx  +  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
ψ2  =  1 φs  −  1 φpx  +  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
ψ3  =  1 φs  +  1 φpy  −  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
ψ4  =  1 φs  −  1 φpy  −  1 φdx2−y2
 
4 2 4
 
   
   
  

 

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