Energia powierzchniowa jest wielkością charakteryzującą właściwości powierzchni ciała stałego lub cieczy. Atomy, które znajdują się na powierzchni ciała stałego lub cieczy są zawsze słabiej związane niż atomy znajdujące się w ich wnętrzu. Usunięcie atomów z powierzchni materiału jest łatwiejsze niż usunięcie atomów z jego wnętrza. Energię powierzchniową można obliczyć z wzoru ( 1 ).
We wzorze (1) poszczególne symbole oznaczają: F – energia swobodna, G – entalpia swobodna, V – objętość, T – temperatura, A – powierzchnia ciała stałego lub cieczy, \( {n_i} \) – liczba moli substancji „i”.
Metale i stopy są materiałami polikrystalicznymi, zbudowane są z ziaren, które mają różną orientację krystalograficzną. W przypadku materiałów polikrystalicznych, energia powierzchniowa zależy od orientacji krystalograficznej ziarna (kryształu). Ziarna posiadające orientację krystalograficzną, dla której energia powierzchniowa jest mała, łatwiej ulegają roztwarzaniu niż ziarna, dla których energia powierzchniowa jest duża [1]. Badania prowadzone na polikrysztale glinu i stopach aluminium wykazały, że ziarna posiadające orientację krystalograficzną (111) mają najmniejszą energię powierzchniową [2], [3], [4]. W kontakcie z elektrolitem, atomy metalu z ziaren (kryształów) posiadających małą energię powierzchniową łatwo opuszczają sieć krystalograficzną i przechodzą do roztworu w postaci jonów. Dotychczas prowadzono badania aktywności chemicznej mono- i polikryształów na różnych metalach i stopach, które wykazały, że aktywność chemiczna monokryształów zależy przede wszystkim od rodzaju metalu i charakteru środowiska.
W polikryształach bardzo ważnymi obszarami są granice ziaren, które są miejscami oddzielającymi ziarna (kryształy) o różnej orientacji krystalograficznej. Na granicy ziaren atomy są ułożone nieregularnie, mogą pojawić się w tych miejscach obce atomy, które nie występują w sąsiadujących ze sobą ziarnach. Granice ziaren są obszarami nieciągłości w regularnej strukturze kryształu. Atomy znajdujące się na granicach ziaren są zawsze słabiej związane ze sobą niż atomy znajdujące się w obrębie ziarna. Energia powierzchniowa granic ziaren jest większa niż energia powierzchniowa ziaren. Energię granic ziaren można obliczyć z wzoru ( 2 ), gdzie \( \ce{\gamma_G} \) oznacza energię na granicy ziaren, G – entalpię swobodą, natomiast A – oznacza powierzchnię.
W stopach na granicach ziaren zachodzi segregacja zanieczyszczeń, tworzą się fazy międzymetaliczne, wtrącenia itp. Niejednorodność granic ziaren jest przyczyną korozji międzykrystalicznej. Wysoka energia powierzchniowa granic ziaren sprawia, że są one miejscami uprzywilejowanymi, na których preferencyjnie zachodzą reakcje chemiczne lub elektrochemiczne.
Bibliografia
1. D. Landolt: Corrrosion and Surface Chemistry of Metals, EPFL Press, Lausanne, Switzerland 2007, dostęp:15.09.20212. S. Lee, H.S. White: Dissolution of the native oxide film on polycrystalline and single crystal aluminium in NaCl solution, Journal of the Electrochemical Society 2004, Vol. 151, pp. B479-B483, dostęp:15.09.2021
3. G. M. Treacy, C. B. Breslin: Electrochemical studies on single crystal aluminium surfaces, Electrochimica Acta 1998, Vol. 43, pp. 1715-1720, dostęp:15.09.2021
4. H. Krawiec, Z. Szklarz: Combining the Electrochemical Microcell Technique and the Electron Backscatter Diffraction method to study the electrochemical behaviour of polycrystalline aluminium in sodium chloride solution, Electrochimica Acta 2016, Vol. 203, pp. 426-438, dostęp:15.09.2021