Il termine “fase” si riferisce allo stato della materia; ci sono fasi solida, liquida e gassosa. Un catalizzatore eterogeneo partecipa a una reazione chimica che non fa parte della stessa fase della materia dei reagenti effettivi. Ad esempio, i liquidi possono subire una reazione in presenza di un catalizzatore solido. Mentre il catalizzatore accelera il processo di una reazione, esso stesso non viene consumato dai reagenti. I metalli preziosi o altri metalli di transizione sono spesso usati come catalizzatori eterogenei e possono essere finemente suddivisi per una maggiore esposizione superficiale su un substrato o un supporto.
È il catalizzatore eterogeneo piuttosto che la varietà omogenea che è più ampiamente utilizzata industrialmente. La superficie catalitica esposta fornisce siti per un debole legame superficiale di reagenti geometricamente allineati. Questo comportamento è importante, come ad esempio nell’idrogenazione dei doppi legami carbonio-carbonio. È bene considerare un esempio come l’etilene, che ha la struttura chimica H2C=CH2. Quando una molecola di etilene si avvicina a un po’ di superficie catalitica, assorbe o si attacca da un atomo di idrogeno in basso a sinistra e da un atomo di idrogeno in basso a destra – gli atomi di idrogeno in alto a sinistra e a destra rimangono liberi.
Una singola molecola di idrogeno, H2 o H‒H, può quindi aggiungersi attraverso il doppio legame, venendo sostituita da un singolo legame, formando un etano “saturo” o H3C‒CH3. Tuttavia, ci sono due modi in cui gli atomi di idrogeno possono aggiungere attraverso il doppio legame. Entrambi possono aggiungere dal basso il doppio legame, oppure uno può aggiungere sotto, mentre l’altro aggiunge sopra il doppio legame dall’altra parte. L’aggiunta di entrambi gli atomi di idrogeno su un lato di un doppio legame è chiamata “addizione cis”, mentre l’aggiunta di uno a un lato e l’altro all’altro è chiamata “addizione trans”. Senza dubbio, l’espressione “trans-fat” – usata per descrivere un grasso insaturo che è stato idrogenato per trans-addizione – sarà familiare al lettore.
I catalizzatori raccolgono la velocità delle reazioni per le quali sono utilizzati perché il percorso di reazione è alterato dalla loro presenza. Questo cambia lo stato di transizione e riduce l’energia di attivazione necessaria per eseguire la reazione. Un vantaggio di una tale reazione condotta con un catalizzatore eterogeneo è la facilità di recuperabilità del catalizzatore. I catalizzatori eterogenei sono particolarmente adatti per reazioni chimiche a processo continuo, in cui il materiale viene fornito, fatto reagire, rimosso e sostituito, continuamente. Un esempio di tale processo catalizzatore eterogeneo dall’industria petrolifera è l’uso di materiale catalitico pellettizzato nel cosiddetto processo a “letto mobile”.