Der Begriff „Phase“ bezieht sich auf den Zustand der Materie; Es gibt feste, flüssige und gasförmige Phasen. Ein heterogener Katalysator ist ein Teilnehmer einer chemischen Reaktion, der nicht Teil derselben Materiephase ist wie die eigentlichen Reaktanten. Zum Beispiel können Flüssigkeiten in Gegenwart eines festen Katalysators eine Reaktion eingehen. Während der Katalysator den Prozess einer Reaktion beschleunigt, bleibt er selbst von den Reaktanten nicht verbraucht. Edelmetalle oder andere Übergangsmetalle werden oft als heterogener Katalysator verwendet und können zur erhöhten Oberflächenbelichtung über einem Substrat oder einem Träger fein verteilt werden.
Es ist eher der heterogene Katalysator als die homogene Variante, die industriell am weitesten verbreitet ist. Die exponierte katalytische Oberfläche bietet Stellen für eine schwache Oberflächenbindung von geometrisch ausgerichteten Reaktanten. Dieses Verhalten ist wichtig, wie beispielsweise bei der Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Es ist gut, ein Beispiel wie Ethylen zu betrachten, das die chemische Struktur H2C=CH2 hat. Wenn sich ein Ethylenmolekül einer katalytischen Oberfläche nähert, adsorbiert es oder wird an einem unteren linken Wasserstoffatom und einem unteren rechten Wasserstoffatom gebunden – die oberen linken und rechten Wasserstoffatome bleiben frei.
Ein einzelnes Wasserstoffmolekül, H2 oder H‒H, kann sich dann über die Doppelbindung addieren, wobei es durch eine Einfachbindung ersetzt wird und ein „gesättigtes“ Ethan oder H3C‒CH3 bildet. Es gibt jedoch zwei Möglichkeiten, wie sich die Wasserstoffatome über die Doppelbindung addieren können. Entweder können beide von unterhalb der Doppelbindung addieren, oder einer kann unten addieren, während der andere oberhalb der Doppelbindung auf der anderen Seite addiert. Die Addition beider Wasserstoffatome an eine Seite einer Doppelbindung wird als „cis-Addition“ bezeichnet, während die Addition eines an die eine und das andere an die andere als „trans-Addition“ bezeichnet wird. Zweifellos wird dem Leser der Ausdruck „trans-Fett“ – verwendet, um ein ungesättigtes Fett zu beschreiben, das durch trans-Addition hydriert wurde – vertraut sein.
Katalysatoren nehmen die Geschwindigkeit der Reaktionen auf, für die sie verwendet werden, weil der Reaktionsweg durch ihre Anwesenheit verändert wird. Dadurch ändert sich der Übergangszustand und die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie wird gesenkt. Ein Vorteil einer solchen Reaktion, die mit einem heterogenen Katalysator durchgeführt wird, ist die Leichtigkeit der Rückgewinnung des Katalysators. Heterogene Katalysatoren eignen sich besonders gut für chemische Reaktionen im kontinuierlichen Prozess, bei denen Material kontinuierlich bereitgestellt, umgesetzt, entfernt und ersetzt wird. Ein Beispiel für ein solches heterogenes Katalysatorverfahren aus der Erdölindustrie ist die Verwendung von granuliertem Katalysatormaterial im sogenannten „Moving Bed“-Verfahren.