Objetivos (5 - 7 minutos)

1. Compreender o conceito de energia livre de Gibbs e sua aplicabilidade prática: Os alunos devem ser capazes de entender o que é energia livre de Gibbs, como ela é calculada e qual o seu significado em termos de direção e extensão de uma reação química.

2. Aplicar a energia livre de Gibbs para prever a espontaneidade de uma reação química: Os alunos devem aprender a usar a energia livre de Gibbs para prever se uma reação química irá ocorrer espontaneamente ou não, e em que direção.

3. Relacionar a energia livre de Gibbs com a entalpia e a entropia: Os alunos devem ser capazes de entender a relação entre a energia livre de Gibbs, a entalpia e a entropia, e como esses três conceitos se relacionam para determinar a espontaneidade de uma reação.

Objetivos secundários:

• Desenvolver habilidades de pensamento crítico e resolução de problemas: Além de dominar o conceito de energia livre de Gibbs, os alunos devem ser capazes de aplicá-lo de maneira eficaz para resolver problemas complexos e desenvolver habilidades de pensamento crítico.

• Promover a colaboração em grupo: A metodologia de aula invertida incentiva a colaboração entre os alunos. Eles devem trabalhar em grupos para discutir e resolver problemas, promovendo assim a habilidade de trabalhar em equipe.

Introdução (10 - 15 minutos)

1. Relembrando conceitos necessários: O professor deve começar a aula relembrando os conceitos de entalpia e entropia, que são fundamentais para a compreensão da energia livre de Gibbs. Pode-se recorrer a exemplos práticos ou experimentos para auxiliar na demonstração desses conceitos. (3 - 5 minutos)

2. Situando o problema: Em seguida, o professor deve propor duas situações-problema que envolvam a energia livre de Gibbs. A primeira pode ser a questão de por que uma reação química que é exotérmica (libera calor) e aumenta a desordem do sistema (aumenta a entropia) pode não ocorrer espontaneamente. A segunda pode ser o contrário: por que uma reação que é endotérmica (absorve calor) e diminui a desordem do sistema (diminui a entropia) pode ocorrer espontaneamente. Essas perguntas devem servir para despertar a curiosidade dos alunos e introduzir a importância da energia livre de Gibbs. (4 - 5 minutos)

3. Contextualizando a importância do assunto: O professor deve então explicar a importância da energia livre de Gibbs em diversas áreas, como na bioquímica, na indústria e no meio ambiente. Pode-se mencionar, por exemplo, como a energia livre de Gibbs é usada para determinar se um medicamento será eficaz no organismo, ou para prever se uma reação química em uma fábrica será viável e segura. Esses exemplos devem ajudar a mostrar aos alunos que o assunto é relevante e tem aplicações práticas. (3 - 5 minutos)

4. Introduzindo o tópico de forma atraente: Por fim, para ganhar a atenção dos alunos, o professor pode compartilhar algumas curiosidades sobre a energia livre de Gibbs. Por exemplo, pode-se mencionar que a energia livre de Gibbs é a única grandeza termodinâmica que pode prever a espontaneidade de uma reação em quaisquer condições, ou que a energia livre de Gibbs é uma medida da energia que um sistema pode usar para fazer trabalho, ou ainda que a energia livre de Gibbs é usada para explicar por que as reações químicas ocorrem e como a vida é possível. Essas curiosidades devem ajudar a despertar o interesse dos alunos pelo assunto. (2 - 3 minutos)

Desenvolvimento (20 - 25 minutos)

1. Atividade de simulação "Reações Químicas no Mundo Real" (10 - 12 minutos)

   • Contextualização: O professor deve explicar que os alunos irão participar de uma simulação onde eles serão "cientistas" trabalhando em um laboratório de pesquisa. Eles receberão várias reações químicas para analisar e terão que prever se essas reações são espontâneas ou não, e em que direção elas irão.

   • Preparação: O professor deve organizar os alunos em grupos e fornecer a cada grupo uma lista de reações químicas e as respectivas entalpias e entropias de cada reação. As reações químicas devem ser escolhidas de forma a representar uma variedade de reações, incluindo aquelas que são exotérmicas e aumentam a entropia, aquelas que são endotérmicas e diminuem a entropia, e aquelas que são uma combinação dos dois.

   • Execução: Os alunos, em seus grupos, devem usar a fórmula da energia livre de Gibbs (ΔG = ΔH - TΔS) para calcular a energia livre de Gibbs de cada reação. Eles devem então discutir e registrar se a reação é espontânea ou não, e em que direção ela irá. O professor deve circular pela sala, observando e auxiliando os grupos conforme necessário.

   • Discussão: Uma vez que todos os grupos tenham terminado, o professor deve iniciar uma discussão em classe. Cada grupo deve compartilhar suas previsões e explicar como chegaram a essas conclusões. O professor deve esclarecer quaisquer dúvidas e fornecer feedback e orientação, se necessário.

2. Atividade de quebra-cabeça "Montando a Fórmula da Energia Livre de Gibbs" (10 - 12 minutos)

   • Contextualização: Nesta atividade, o professor deve explicar que os alunos irão participar de um jogo de quebra-cabeça onde eles terão que montar a fórmula da energia livre de Gibbs a partir de várias peças. Cada peça será um termo da fórmula (ΔG, ΔH, T, ΔS) e os alunos terão que montá-los na ordem correta.

   • Preparação: O professor deve preparar o jogo de quebra-cabeça, que pode ser feito com papel e caneta ou digitalmente. As peças devem ser embaralhadas e distribuídas para os grupos.

   • Execução: Os alunos, em seus grupos, devem trabalhar juntos para montar a fórmula da energia livre de Gibbs. Eles devem discutir e raciocinar sobre a ordem correta dos termos, com base no que aprenderam sobre a relação entre a energia livre de Gibbs, a entalpia e a entropia. O professor deve circular pela sala, observando e auxiliando os grupos conforme necessário.

   • Discussão: Uma vez que todos os grupos tenham terminado, o professor deve iniciar uma discussão em classe. Cada grupo deve explicar como montaram a fórmula e por que a ordem dos termos é importante. O professor deve esclarecer quaisquer dúvidas e fornecer feedback e orientação, se necessário.

3. Atividade de discussão em grupo "Energia Livre de Gibbs na Prática" (5 - 7 minutos)

   • Contextualização: Finalmente, o professor deve propor uma discussão em grupo sobre como a energia livre de Gibbs é aplicada na prática, em diversas áreas como na bioquímica, na indústria e no meio ambiente.

   • Preparação: O professor deve preparar uma lista de perguntas para orientar a discussão, como "Como a energia livre de Gibbs é usada para determinar se um medicamento será eficaz no organismo?", "Como a energia livre de Gibbs é usada para prever se uma reação química em uma fábrica será viável e segura?", entre outras.

   • Execução: Os alunos, em seus grupos, devem discutir as perguntas e compartilhar suas ideias e opiniões. O professor deve circular pela sala, ouvindo as discussões e esclarecendo quaisquer dúvidas.

   • Discussão: Após a discussão, o professor deve concluir a atividade, resumindo as principais ideias e insights que surgiram. O professor deve reforçar a importância da energia livre de Gibbs e como ela se aplica na prática.

Retorno (10 - 12 minutos)

1. Discussão em Grupo (3 - 4 minutos): O professor deve promover uma discussão em grupo com todos os alunos, onde cada grupo terá até 3 minutos para compartilhar suas soluções ou conclusões das atividades realizadas. O professor deve incentivar os alunos a explicarem como chegaram a suas respostas, quais estratégias usaram e quais dificuldades encontraram. Isso permitirá que os alunos aprendam uns com os outros e desenvolvam habilidades de comunicação e argumentação.

2. Conexão com a Teoria (3 - 4 minutos): Após as discussões em grupo, o professor deve conectar as soluções ou conclusões dos alunos com a teoria apresentada no início da aula. O professor deve destacar como a energia livre de Gibbs, a entalpia e a entropia se relacionam e como esses conceitos são aplicados para prever a espontaneidade de uma reação química. O professor deve também esclarecer quaisquer mal-entendidos ou concepções errôneas que os alunos possam ter.

3. Reflexão Individual (2 - 3 minutos): O professor deve então propor que os alunos reflitam individualmente sobre o que aprenderam na aula. Para isso, o professor pode fazer perguntas como: "Qual foi o conceito mais importante que você aprendeu hoje?", "Quais questões ainda não foram respondidas?" e "O que você faria diferente se tivesse a chance de refazer as atividades?". Os alunos devem ter um minuto para pensar sobre essas perguntas e, em seguida, terão a oportunidade de compartilhar suas respostas com a classe, se desejarem.

4. Feedback e Encerramento (2 - 3 minutos): Finalmente, o professor deve solicitar feedback dos alunos sobre a aula, perguntando o que eles gostaram, o que não gostaram e o que gostariam de ver em aulas futuras. O professor deve encerrar a aula reforçando os conceitos-chave e a importância da energia livre de Gibbs, e lembrando aos alunos sobre a tarefa de casa ou leituras adicionais, se houver. O professor deve também informar os alunos sobre o tópico da próxima aula e quaisquer preparativos necessários.

Conclusão (5 - 7 minutos)

1. Resumo dos Conteúdos-Chave (2 - 3 minutos): O professor deve fazer um resumo dos principais pontos abordados durante a aula, relembrando os conceitos de energia livre de Gibbs, entalpia e entropia. Deve-se enfatizar a importância de cada um desses conceitos e como eles se relacionam para determinar a espontaneidade de uma reação química. O professor também deve recapitular as atividades realizadas e as principais conclusões alcançadas.

2. Conexão entre Teoria e Prática (1 - 2 minutos): Em seguida, o professor deve reforçar como a aula conectou a teoria à prática. Deve-se ressaltar como a energia livre de Gibbs, que é um conceito teórico, pode ser usada para prever a espontaneidade de uma reação química na prática. O professor pode relembrar as atividades realizadas e como elas permitiram aos alunos aplicar a teoria de maneira prática e significativa.

3. Materiais Complementares (1 minuto): O professor deve sugerir materiais de estudo adicionais para os alunos que desejam aprofundar seus conhecimentos sobre a energia livre de Gibbs. Esses materiais podem incluir leituras de livros didáticos, artigos científicos, vídeos online, entre outros. O professor pode, por exemplo, sugerir um vídeo animado que explica de forma simples e visual como a energia livre de Gibbs funciona.

4. Importância do Assunto (1 minuto): Por fim, o professor deve resumir a importância do assunto apresentado para o dia a dia e para outras ciências. O professor pode, por exemplo, mencionar como a energia livre de Gibbs é usada na indústria para prever a viabilidade e a segurança de reações químicas, ou como ela é usada na bioquímica para determinar se um medicamento será eficaz no organismo. O professor pode também enfatizar como a compreensão da energia livre de Gibbs pode ajudar os alunos a entender melhor o mundo ao seu redor e a tomar decisões informadas em suas vidas cotidianas.