О каких-то переменах известно всем – например, о росте живота или тошноте в утренние часы в начале беременности. Однако существуют изменения не столь очевидные, и они нередко застают беременных врасплох и причиняют определенные неудобства.
Изменение обоняния и вкуса
Как проявляется? Многие женщины обращают внимание на изменение вкусовых пристрастий, возникающее чуть ли не с первых дней беременности. Например, будущую маму начинает «тянуть на солененькое» (соленья, маринады, пряности, пересаливание повседневной пищи). Иногда, напротив, женщине все время хочется сладкого (выпечка, варенье, шоколад). Бывает, что будущая мама, до беременности абсолютно равнодушная к рыбе, в первые недели вдруг открывает вкус к морепродуктам и рыбным блюдам. Кто-то начинает есть определенный вид мяса (например, только говядину или баранину), кто-то налегает на фрукты, кто-то запасается орехами – желания могут быть разными, однако специфика рациона появляется практически у всех беременных.
Почему это неудобно? Такие перемены в пристрастиях могут доставить очень много неудобств. Привычные блюда вдруг оказываются пресными и абсолютно невкусными, любимые духи, которые всегда создавали нужное настроение, теперь раздражают, а попытка зайти на кухню, когда там готовится пища, и вовсе может привести к приступу тошноты. Вместо этого женщине вдруг неудержимо хочется вдыхать «ароматы» средства для снятия лака или есть апельсины вместо нормального обеда.
Иногда в первые недели беременности у женщины появляются совсем необычные вкусовые пристрастия. Врачи называют такие явления извращением вкуса. Например, молодой здоровой женщине вдруг хочется… погрызть мел или пососать железный гвоздь. Согласитесь, весьма экстравагантное желание, способное удивить не только окружающих, но и сильно озадачить саму будущую маму!
В чем причина? У этой неудобной «приметы беременности» весьма простое объяснение. Повышенный интерес к тем или иным продуктам в начале беременности связан с дефицитом определенных веществ в организме будущей матери. Речь идет о витаминах, минералах, микроэлементах, белках, жирах и углеводах, требующихся для полноценного развития плода и благополучного течения беременности. Иногда в нашем повседневном рационе не хватает каких-либо полезных веществ в связи с отказом от определенных продуктов. В обычное время нехватка конкретного витамина или белка может остаться незамеченной, но при наступлении беременности организм сразу «заявляет» о своих потребностях. В течение первого месяца эмбрионального развития у плода формируются зачатки всех органов и систем, первичный скелет, примитивный пищеварительный тракт, сосуды и даже нервная ткань!
В зависимости от того, какого именно вещества, необходимого для развития беременности в данный момент, не хватает в организме матери, и формируются ее вкусовые пристрастия. При нехватке фосфора и витамина Д, необходимых для развития нервной трубки плода, будущей маме хочется рыбы, любовь к сладкому объясняется энергетическими потребностями организма в глюкозе, тяга к «солененькому» – нехваткой хлорида натрия, обеспечивающего клеточный обмен веществ. В молочных продуктах содержится кальций, требующийся для построения костного скелета малыша, нежирное мясо и орехи богаты легкоусвояемым белком, а фрукты изобилуют различными витаминами. Даже столь необычные кулинарные предпочтения, как ржавый гвоздь или мел, объясняются также просто: как и все вкусовые пристрастия в начале беременности, они вызваны нехваткой необходимых полезных веществ (в данном случае – кальция и железа).
Отвращение к определенным блюдам или запахам объясняется явлениями раннего токсикоза. Токсикоз возникает в результате защитной реакции материнского иммунитета. Иммунная система будущей мамы принимает зародыш за чужеродное вещество и начинает выделять защитные клетки – антитела. Для малыша эта атака иммунной системы практически не опасна: его защищает материнский гормон беременности – прогестерон. Однако половина генотипа зародыша совпадает с генотипом будущей мамы, и антитела, выработанные против клеток плода, начинают «бороться» с клетками матери, отрицательно сказываясь на работе центральной нервной системы. В результате у будущей мамы могут временно измениться чувствительность вкусовых и обонятельных рецепторов, что приведет к резкому неприятию каких-либо запахов или продуктов питания.
Как бороться с токсикозом
- Главный принцип питания при любых проявлениях токсикоза – едим часто, понемногу и только то, что хочется. Необходимо на время отказаться от традиционной системы питания «завтрак-обед-ужин» и поделить дневной рацион на части, перекусывая небольшими порциями каждые 1,5–3 часа. Стоит обсудить с врачом появившиеся вкусовые пристрастия для формирования правильного рациона.
- При появлении упорных вкусовых пристрастий (апельсины, сладкое, творог) или извращениях вкуса (мел, ржавые гвозди и т.д.) – обсудить с врачом вопрос о необходимости приема витаминов и микроэлементов.
- При изменении обонятельных пристрастий – на время (до исчезновения симптомов) отказаться от парфюмерии, избегать непосредственного участия в приготовлении пищи и, по возможности, даже не заходить на кухню в процессе приготовления.
- Почаще проветривать помещение.
- Обсудить с врачом необходимость приема легких седативных препаратов (ПУСТЫРНИК, ВАЛЕРИАНА, ПЕРСЕН, НОВОПАССИТ).
Нарушения сна
Как проявляется? Иногда первым признаком возможной беременности становится… слабость. В первые недели беременности многие женщины жалуются на повышенную утомляемость. Особенно заметны перемены в самочувствии у будущих мам, которые интенсивно работают или учатся. Эти женщины чаще замечают за собой снижение работоспособности, рассеянность внимания, проблемы с концентрацией и памятью. Однако в большинстве случаев изменения в самочувствии носят более общий характер. Практически всех будущих мам беспокоит постоянное чувство усталости и сонливость.
Существует и другой, прямо противоположный вариант нарушения режима сна в первые месяцы беременности – бессонница. Многие женщины в этот период подолгу не могут заснуть и слишком рано просыпаются, сам сон при этом становится очень поверхностным, нередко сопровождается тревожными сновидениями и легко прерывается.
Почему это неудобно? Сон – одна из важнейших функций человеческого организма, он совершенно необходим для «перезагрузки» нервной системы, отдыха для скелетной мускулатуры и опорно-двигательного аппарата.
В результате любой формы нарушения сна женщина может испытывать постоянную слабость, раздражительность, мышечные и суставные боли. На фоне сонливости или недосыпа неизбежно возникают проблемы с вниманием, памятью и остротой реакции: это создает значительные проблемы в учебе, работе, вождении автомобиля.
В чем причина? Ощущение сонливости в начале беременности связано со снижением артериального давления в организме женщины. С первых дней беременности в сосудах органов малого таза скапливается большое количество венозной крови. Венозный застой в области матки и наружных половых органов обусловлен действием прогестерона – «гормона беременности», который начинает выделяться яичником сразу после оплодотворения. Венозное полнокровие тазовых органов способствует снижению тонуса матки во время имплантации (прикрепления зародыша к стенке матки). Гипотония (снижение кровяного давления), характерная для начала беременности и проявляющаяся в виде слабости, сонливости и головокружения, является следствием недостаточно интенсивного мозгового кровообращения на фоне венозного застоя.
Бессонница объясняется повышенной эмоциональной возбудимостью женщины, вызванной сознанием нового статуса – будущей матери. Для каждого триместра беременности характерна своя доминанта, т.е. ряд различных эмоциональных состояний, которые властвуют (доминируют) у женщины над всеми остальными житейскими переживаниями. Первую доминанту беременности можно назвать «адаптационной». В этот период будущая мама узнает, что она беременна, она пытается осознать, что внутри нее зарождается новая жизнь, развивается маленький человек. Женщина безумно счастлива и хочет рассказать об этом радостном известии всему миру. Затем на смену эйфории приходят первые волнения и страхи. Будущая мама начинает сомневаться в собственных силах, переживает за здоровье малыша, боится новых ощущений. Немалую роль в появлении «тревожной нотки» играет ранний токсикоз, приходящийся на этот период беременности: слабость, тошнота и плохой аппетит никому не прибавляют оптимизма! К тому же выясняется, что идти на вынужденные перемены в привычках, связанные с «особым положением», не так просто и приятно, как это казалось до беременности… Тревожные мысли и постоянный перепад эмоций нередко приводят к излишнему возбуждению коры головного мозга, результатом которого становится бессонница.
Как нормализовать сон
- ложиться спать не позднее 22:00;
- перед сном ежедневно гулять на свежем воздухе 20–40 мин;
- проветривать спальню в течение 10–20 мин перед сном;
- перед сном принимать теплый душ или ванну с расслабляющими эфирными маслами, тра-
- вами;
- стараться не пить, не есть соленого, острого и фруктов за 2–3 часа до сна.
Обсудить с лечащим врачом целесообразность медикаментозной коррекции нарушений сна с помощью легких седативных препаратов растительного происхождения – ВАЛЕРИАНА, НОВОПАССИТ, ПЕРСЕН, ПУСТЫРНИК.
При выраженных нарушениях режима сна – взять больничный лист.
Вынужденный отказ от привычек
Как проявляется? Всем известно, что беременные женщины должны вести здоровый образ жизни. Однако далеко не все четко понимают, что под этим подразумевается. Здоровый образ жизни – это отказ от вредных привычек, таких как курение, употребление алкоголя. Это исключение работы на «вредном» производстве, включающем шумы, вибрацию, перепады температур и давления, использование химических реагентов и радиации. Это отказ от сверхурочной работы, переездов и командировок, бессонных «клубных» ночей. Это ограничение физических нагрузок, отказ от многих привычных радостей жизни. Здоровый образ жизни – это ставка на натуральность пищи, отказ от любимых каблуков и корректирующего белья в пользу комфортности одежды. Наконец, здоровый образ жизни – это правильно организованный режим дня.
Почему это неудобно ? Многие из перечисленных привычек до беременности фактически составляли образ жизни. Привычки – это то, что упорядочивает и скрашивает повседневность, маленькие радости и одновременно – подсознательное свидетельство стабильности жизни. Поэтому ситуация, в которой приходится отказываться от давних привычек, да еще и сразу нескольких, всегда психологически травматична. У женщины, лишенной возможности «пользоваться» своими привычками, образуются «пустые места» в режиме жизни; от этого может появиться тревожность, излишняя раздражительность, нарушения аппетита и сна.
Например, раньше день начинался с чашки крепкого эспрессо с сигаретой, а заканчивался горячей ванной; ночь с пятницы на субботу проходила в клубе с друзьями, а воскресенье – в школе альпинизма. Сами по себе эти повторяющиеся действия, может, не особо важны – без них прекрасно можно обойтись; однако для данной женщины именно эти привычки составляли «изюминку» в ее повседневной жизни. Нередко бывает, что вынужденный отказ от привычек, несовместимых с периодом беременности, проходит естественно и совершенно безболезненно; однако случается, что такая резкая перемена в образе жизни доставляет будущей маме значительный психологический дискомфорт.
В чем причина? Безусловно, беременность – особый период в жизни любой женщины. Это время колоссальной ответственности – не только за себя, но и за малыша. Жизнь и здоровье ребенка во многом зависит от того, какой образ жизни ведет будущая мама.
Вредные привычки (курение, алкоголь) в этот период абсолютно недопустимы, поскольку могут напрямую спровоцировать патологии развития плода. Многие виды спорта исключаются в связи с высоким риском получения травмы (борьба, альпинизм, акробатические танцы, горные и водные лыжи, коньки, сноуборд и т.п.), излишним форсированием кровотока в области таза (велосипед, велотренажер, бег и беговая дорожка), нагрузкой на пресс (силовые тренажеры и многие виды гимнастики). Из-за отрицательного влияния на тонус и кровоснабжение матки большого перепада температур, давления и вибрации приходится отказаться от паровой бани (хамам, русская), обливания или купания в ледяной воде, ныряния с аквалангом и прыжков с парашютом. На время беременности, в связи с патологическим влиянием на активность центральной нервной системы, следует отказаться от ночных увеселений (клубы, дискотеки, вечеринки), от сверхурочной работы, командировок с перелетами и сменой часовых поясов (два последних пункта законодательно закреплены в Трудовом кодексе РФ) – т.е. от всех ситуаций, нарушающих нормальный режим сна и бодрствования будущей мамы. Таким образом, все перечисленные изменения в привычном ритме женщины продиктованы необходимой заботой о благополучном течении беременности и нормальном развитии плода, поэтому они обоснованы и совершенно закономерны.
Что делать? Поскольку привычки являются неотъемлемой составляющей образа жизни, который подвергается переменам, логично начать формировать новые привычки! Например, крепкий кофе по утрам заменить на свежевыжатый сок, который также тонизирует и поднимает настроение. Перед сном ежедневно выходить на совместную прогулку с супругом, а по возвращении принимать душ вместо горячей ванны. Чтобы не пустовал вечер пятницы – поддержать традицию встреч с друзьями, но уже, к примеру, у себя дома или в кафе, или можно приобрести абонемент в концертный зал, ходить в театры или кино. А воскресный альпинизм заменить на плавание в бассейне или семейные загородные прогулки. Силовые тренажеры с успехом заменяются пилатесом или йогой, брейк-данс – танцем живота, и так далее. Стоит только проявить фантазию, и в вашу жизнь с наступлением беременности войдут новые привычки, вполне допустимые для будущей мамы и гораздо более полезные для здоровья. Ведь то, что полезно во время беременности, будет во благо и после нее. Так что появление «беременных» привычек – залог установления здорового образа жизни и внимательного отношения к себе на долгие годы!
Возможно, вам будут интересны статьи
Нас окружает вода, сама по себе, в составе других веществ и тел. Она может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии, но вода всегда вокруг нас. Почему трескается асфальт на дорогах, почему стеклянная банка с водой на морозе лопается, почему в холодное время года запотевают окна, почему самолет оставляет в небе белый след - ответы на все эти и другие «почему» мы будем искать на этом уроке. Мы узнаем, как изменяются свойства воды при нагревании, охлаждении и замораживании, как образуются подземные пещеры и причудливые фигуры в них, как работает термометр.
Тема: Неживая природа
Урок: Свойства воды в жидком состоянии
В чистом виде вода не имеет вкуса, запаха и цвета, но она почти никогда не бывает такой, потому что активно растворяет в себе большинство веществ и соединяется с их частицами. Так же вода может проникать в различные тела (ученые нашли воду даже в камнях).
Если в стакан набрать воды из-под крана, она будет казаться чистой. Но на самом деле, это - раствор многих веществ, среди которых есть газы (кислород, аргон, азот, углекислый газ), различные примеси, содержащиеся в воздухе, растворенные соли из почвы, железо из водопроводных труб, мельчайшие нерастворенные частицы пыли и др.
Если нанести пипеткой капельки водопроводной воды на чистое стекло и дать ей испариться, останутся едва заметные пятнышки.
В воде рек и ручьев, большинства озер содержатся различные примеси, например, растворенные соли. Но их немного, потому что эта вода - пресная.
Вода течет на земле и под землей, наполняет ручьи, озера, реки, моря и океаны, создает подземные дворцы.
Прокладывая себе путь сквозь легкорастворимые вещества, вода проникает глубоко под землю, унося их с собой, и через щелочки и трещинки в скальных породах, образуя подземные пещеры, капает с их свода, создавая причудливые скульптуры. Миллиарды капелек воды за сотни лет испаряются, а растворенные в воде вещества (соли, известняки) оседают на сводах пещеры, образуя каменные сосульки, которые называют сталактитами.
Сходные образования на полу пещеры называются сталагмитами.
А когда сталактит и сталагмит срастается, образуя каменную колонну, это называют сталагнатом.
Наблюдая ледоход на реке, мы видим воду в твердом (лед и снег), жидком (текущая под ним) и газообразном состоянии (мельчайшие частицы воды, поднимающиеся в воздух, которые ещё называют водяным паром).
Вода может одновременно находится во всех трех состояниях: в воздухе всегда есть водяной пар и облака, которые состоят из капелек воды и кристалликов льда.
Водяной пар невидим, но его можно легко обнаружить, если оставить в теплой комнате охлаждавшийся в холодильнике в течение часа стакан с водой, на стенках которого сразу появятся капельки воды. При соприкосновении с холодными стенками стакана, водяной пар, содержащийся в воздухе, преобразуется в капельки воды и оседает на поверхности стакана.
Рис. 11. Конденсат на стенках холодного стакана ()
По этой же причине в холодное время года запотевает внутренняя сторона оконного стекла. Холодный воздух не может содержать столько же водяного пара, сколько и теплый, поэтому какое-то его количество конденсируется - превращается в капельки воды.
Белый след за летящим в небе самолетом - тоже результат конденсации воды.
Если поднести к губам зеркальце и выдохнуть, на его поверхности останутся мельчайшие капельки воды, это доказывает то, что при дыхании человек вдыхает с воздухом водяной пар.
При нагревании вода «расширяется». Это может доказать простой опыт: в колбу с водой опустили стеклянную трубку и замерили уровень воды в ней; затем колбу опустили в сосуд с теплой водой и после нагревания воды повторно замерили уровень в трубке, который заметно поднялся, поскольку вода при нагревании увеличивается в объеме.
Рис. 14. Колба с трубкой, цифрой 1 и чертой обозначен первоначальный уровень воды
Рис. 15. Колба с трубкой, цифрой 2 и чертой обозначен уровень воды при нагревании
При охлаждении вода «сжимается». Это может доказать сходный опыт: в этом случае колбу с трубкой опустили в сосуд со льдом, после охлаждения уровень воды в трубке понизился относительно первоначальной отметки, потому что вода уменьшилась в объеме.
Рис. 16. Колба с трубкой, цифрой 3 и чертой обозначен уровень воды при охлаждении
Так происходит, потому что частицы воды, молекулы, при нагревании движутся быстрее, сталкиваются между собой, отталкиваются от стенок сосуда, расстояние между молекулами увеличивается, и поэтому жидкость занимает больший объем. При охлаждении воды движение её частиц замедляется, расстояние между молекулами уменьшается, и жидкости требуется меньший объем.
Рис. 17. Молекулы воды обычной температуры
Рис. 18. Молекулы воды при нагревании
Рис. 19. Молекулы воды при охлаждении
Такими свойствами обладает не только вода, но и другие жидкости (спирт, ртуть, бензин, керосин).
Знание этого свойства жидкостей привело к изобретению термометра (градусника), где используется спирт или ртуть.
При замерзании вода расширяется. Это можно доказать, если емкость, наполненную до краев водой, неплотно накрыть крышкой и поставить в морозильную камеру, через время мы увидим, что образовавшийся лед приподнимет крышку, выйдя за пределы емкости.
Это свойство учитывается при прокладывании водопроводных труб, которые обязательно утепляются, чтобы при замерзании образовавшийся из воды лед не разорвал трубы.
В природе замерзающая вода может разрушать горы: если осенью в трещинах скал скапливается вода, зимой она замерзает, и под напором льда, который занимает больший объем, чем вода, из которой он образовался, горные породы трескаются и разрушаются.
Вода, замерзающая в трещинах дорог, приводит к разрушению асфальтового покрытия.
Длинные гребни, напоминающие складки, на стволах деревьев - раны от разрывов древесины под напором замерзающего в ней древесного сока. Поэтому в холодные зимы можно услышать треск деревьев в парке или в лесу.
- Вахрушев А.А., Данилов Д.Д. Окружающий мир 3. М.: Баллас.
- Дмитриева Н.Я., Казаков А.Н. Окружающий мир 3. М.: ИД «Федоров».
- Плешаков А.А.Окружающий мир 3. М.: Просвещение.
- Фестиваль педагогических идей ().
- Наука и образование ().
- Открытый класс ().
- Составьте короткий тест (4 вопроса с тремя вариантами ответа) на тему «Вода вокруг нас».
- Проведите небольшой опыт: стакан с очень холодной водой поставьте на стол в теплой комнате. Опишите, что будет происходить, объясните, почему.
- *Нарисуйте движение молекул воды в нагретом, нормальном и охлажденном состоянии. Если нужно, сделайте подписи на своем рисунке.
Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.
В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке — от 0°C примерно до 4°C. При бо льших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.
Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды , «Элементы», 09.10.2006).
Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.
С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.
Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).
Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).
Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H 2 O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H 2 O) x , где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный , так называемый тетраэдральный угол , равный 109,47 градуса (см. рис. 2).
Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?
Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.
Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water , опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics , выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.
Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.
Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.
Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.
Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает , что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.
Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.