Quest'ultimo è comunque il nome più corretto, perché accettato dalla comunità scientifica internazionale (ice II oppure ice-two, in inglese) e perché evita di fare confusione con un'altra forma di ghiaccio beta (ice beta), che riguarda però una sostanza ben diversa dall'acqua, l'azoto (N₂). Infatti il termine "ghiaccio" non necessariamente si riferisce all'acqua, come molti credono. Il "ghiaccio secco", ad esempio, è anidride carbonica (CO₂) solida.

Detto questo, se per ghiaccio beta si intende la forma ghiaccio II dell'acqua, allora esistono molte informazioni sia sulla struttura che sulle proprietà chimico-fisiche che vedrò di riassumere di seguito. Prima però è importante dare uno sguardo al diagramma di stato dell'acqua, ovvero al comportamento dell'acqua pura in funzione della pressione, espressa in Pascal (notare che la scala del grafico è logaritmica), e della temperatura, espressa in gradi Kelvin.

Nonostante il diagramma di stato, o di fase, dell'acqua sia a prima vista piuttosto semplice, esiste una zona, ad elevate pressioni, in cui le cose si fanno estremamente più complesse. Nella figura seguente le varie zone del grafico indicate con numeri romani e con i simboli Ih e Ic corrispondono a diverse forme cristalline dell'acqua. Ogni linea indicata nel grafico rappresenta una zona di coesistenza, o di equilibrio, tra due fasi, che possono essere entrambe solide. Quando tre linee si incontrano in un punto, questo si chiama punto triplo (nel caso dell'acqua se ne possono individuare ben 12): qui tre fasi sono in equilibrio tra loro.

Esiste anche un altro punto importante che è il punto critico, individuato da una pressione critica e una temperatura critica, al di sopra del quale due fasi diventano indistinguibili (C è uno dei due punti critici dell'acqua, anche se il secondo, marcato in rosso nella zona a sinistra del grafico, è di dubbia assegnazione).

Le linee tratteggiate invece corrispondono a transizioni di fase ancora incerte. Il dibattito circa la stabilità e le proprietà delle fasi XII e dell'acqua supercritica (zona tratteggiata a destra del punto C) è ancora aperto.

Focalizzando l'attenzione sulle forme cristalline dell'acqua, una caratteristica comune è il numero di molecole di H₂O legate tra loro da legami a idrogeno. In tutte le fasi cristalline ogni molecola è legata ad altre quattro molecole di acqua da legami a idrogeno. Esistono inoltre delle precise relazioni tra numero di atomi di idrogeno e di ossigeno. In particolare, ci sono due atomi di idrogeno ogni uno di ossigeno e c'è un atomo di idrogeno a separare ogni coppia di atomi di ossigeno.

Rispetto alle molecole in acqua liquida, nelle fasi solide, l'angolo H-O-H è leggermente più piccolo: 107° invece che 109.47°. Un'altra caratteristica generale è che aumentando la pressione le fasi cristalline che si formano sono sempre più dense. La maggiore densità è principalmente dovuta al fatto che i legami diventano sempre più piegati e le molecole si organizzano a formare delle strutture più impaccate, in veri e propri network aventi simmetrie diverse a seconda del tipo di fase cristallina.

Entrando nel dettaglio del ghiaccio II, se ne conoscono ormai molte proprietà grazie ai numerosi studi scientifici fatti fin dai primi del Novecento, fino agli anni Sessanta e Settanta. Indicativamente osservando il diagramma di stato dell'acqua è possibile individuare alcune proprietà del ghiaccio II. Per esempio, la regione di stabilità del ghiaccio II non ha punti di contatto con l'acqua nello stato liquido: questo significa che in presenza di acqua liquida il ghiaccio II non si formerà mai. Inoltre, si possono notare tre punti tripli che coinvolgono il ghiaccio II. Uno vede il ghiaccio II in equilibrio con il ghiaccio III e il ghiaccio V (a 344.3 MPa e -24.3°C). L'altro punto triplo è tra il ghiaccio II, il ghiaccio III e il ghiaccio Ih (esagonale) a 212.9 MPa e -34.7°C. Infine, un terzo punto triplo contraddistingue un punto di equilibrio tra ghiaccio II, III e VI (620 MPa e -55°C). Inoltre, il ghiaccio II è metastabile, ovvero può esistere anche se da un punto di vista termodinamico tenderebbe a trasformarsi in una forma di ghiaccio più stabile, sotto la temperatura di 100 K in una zona di pressione tra la pressione ambiente e circa 5 GPa (giga Pascal). Al di sopra di 160 K a pressione ambiente il ghiaccio II si trasforma irreversibilmente in ghiaccio esagonale, Ih.

Sempre osservando il diagramma di stato dell'acqua si possono ricavare informazioni utili su come fare cristalli di ghiaccio II. Ad esempio, lo si può sintetizzare a partire dal ghiaccio esagonale Ih (quello che tutti noi conosciamo) alla temperatura di 198 K e alla pressione di 300 MPa. Oppure si può formare a partire dal ghiaccio V a 238 K abbassando la pressione. Mentre più difficile è fare ghiaccio II se partiamo dal ghiaccio III, abbassando la temperatura.

Una volta isolato un cristallo di ghiaccio II, se ne possono individuare alcune proprietà strutturali, come la forma cristallina, che ai Raggi X mostra una cella tipica Romboedrica. Il gruppo spaziale di cristallizzazione è R (-3) C 2 2 20, 21 e la classe di simmetria è mmm. Si individua infatti un asse di rotazione C3 (di 120 gradi). In una cella del cristallo romboedrico, con dimensioni di 7.78 Å, ci sono 12 molecole di H₂O, disposte a formare due anelli da 6. Un anello è planare, mentre l'altro ha una forma a sedia. Alcuni dei legami a idrogeno che legano tra loro le 12 molecole di H₂O sono piegati e non lineari, con la conseguenza di essere meno forti dei legami a idrogeno presenti nei cristalli esagonali del ghiaccio Ih.

Tra le proprietà significative va inoltre ricordato che la densità (a pressione ambiente) del ghiaccio II è pari a 1.17 g/cm3 (contro 0.96 g/cm3 del ghiaccio esagonale) e una costante dielettrica di 3.66 (contro 97.5 del ghiaccio esagonale).

Riferimenti: 1. N. H. Fletcher, The Chemical Physics of Ice, Cambridge University Press, 1970.
2. P. Krindel e I. Eliezer, "Coord. Chem. Rev.", 1971, vol. 3, pag. 217.