弯曲形状是水的正常稳定状态
对于气相中的自由水分子，实验测得的H–O–H键角为104.52 ± 0.05°，O–H键长为0.9572 ± 0.0003 Å [1][2]。这个角度远不是直线分子应有的180°。基于光谱势能面——本质上是一张分子在不同几何构型下能量的地图——的计算得出平衡角为104.501 ± 0.005°，与实验值基本相同 [1][2]。所以这种弯曲并非转瞬即逝的偶然，而是分子在不受干扰时所稳定成的形状。
当水分子聚集在一起时，同样的弯曲几何构型依然保持。在液态水中，中子衍射实验显示角度仅略微增大到106.1 ± 1.8°，键长增至0.970 ± 0.005 Å [1][2]。在大多数冰结构中，键角接近四面体角，不过某些冰结构有明显偏离 [1][2]。分子在这些环境中都保持弯曲；变化的是确切角度，而不是基本的非线性排列。
为什么两个氢原子不相对排列
所提供的论文确立了弯曲几何构型并测量了它如何变化，但它们的摘要并未阐明底层的电子层面原因。证据确实表明，弯曲形状是能量上更有利的平衡态：高水平的从头算计算——对分子电子的计算机模拟——预测这种几何构型为低能结构 [1][2]。换句话说，分子不是直线形的，因为直线排列不是其电子所稳定成的排列。
这个角度也不是僵硬固定的。同样的计算表明，将键角在约96.4°到112.8°之间改变所消耗的能量非常少——大约在±1 kcal mol⁻¹以内——键长同样可以在约0.930 Å到0.989 Å之间以很低代价变化 [1][2]。这种灵活性有助于解释为什么水的角度在气相、液相和冰中有所不同：分子可以多弯曲一点或少弯曲一点，而不必付出很大的能量代价。
为什么报道的角度有时看起来差异巨大
如果你浏览晶体结构，可能会看到看似不可能的水键角。在拟合质量良好（R因子≤0.05）的中子衍射结构中，角度范围为100.74°到113.92°，键长为0.91 Å到0.99 Å [1][2]。但X射线衍生的结构显示的角度从13.27°一直到180.00° [1][2]。这种巨大的跨度并不意味着水有时会变成直线形；作者得出结论，至少15%的X射线解析结构包含可疑的水几何构型 [1][2]。要点是测量方法很重要：中子结果聚集在弯曲平衡态附近，而一些X射线结果在精确定位氢原子方面并不可靠。
水的角度在极端条件下也会改变。当孤立的水分子受到强X射线脉冲轰击并变成双电离（H₂O²⁺）时，分子在几飞秒内发生不对称变形和键角张开，然后碎裂 [5]。那是一个瞬态的高能事件，不是分子的普通稳定形状，但它表明角度是一个动态量，当分子受到强烈扰动时可以被撑开。
本文引用的文献
水分子结构有多灵活？剑桥结构数据库与从头算计算研究。
水的气相H–O–H键角为104.52 ± 0.05°，O–H长度为0.9572 ± 0.0003 Å，在液态水中角度变为106.1 ± 1.8°，在大多数冰中接近四面体角，而低能计算允许角度在96.4°到112.8°之间变化。
水分子结构有多灵活？剑桥结构数据库与<i>从头算</i>计算研究
实验和计算数据表明水具有弯曲几何构型，气相角度接近104.5°，液相角度接近106.1°，并且从头算显示在广泛的角度和键长范围内具有低能灵活性。
硫酸铯α-和β-明矾中水分子的排列：CsM(SO4)2.12H2O（M=V、Rh）的单晶中子衍射研究
对硫酸铯明矾中水分子进行的中子衍射研究发现，H–O–H键角因分子的配位环境不同而存在显著差异。
水分子的组态相互作用研究及沃尔什图的解释
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