El término «fase» se refiere al estado de la materia; hay fases sólida, líquida y gaseosa. Un catalizador heterogéneo es un participante en una reacción química que no es parte de la misma fase de la materia que los reactantes reales. Por ejemplo, los líquidos pueden reaccionar en presencia de un catalizador sólido. Si bien el catalizador acelera el proceso de una reacción, los reactivos no lo consumen en sí mismo. Los metales preciosos u otros metales de transición se utilizan a menudo como catalizadores heterogéneos y pueden dividirse finamente para aumentar la exposición de la superficie sobre un sustrato o un portador.
Es el catalizador heterogéneo, más que la variedad homogénea, el más ampliamente utilizado industrialmente. La superficie catalítica expuesta proporciona sitios para la unión superficial débil de reactivos alineados geométricamente. Este comportamiento es importante, como en, por ejemplo, la hidrogenación de dobles enlaces carbono-carbono. Es bueno considerar un ejemplo como el etileno, que tiene la estructura química H2C = CH2. A medida que una molécula de etileno se acerca a un poco de la superficie catalítica, se adsorbe o se une mediante un átomo de hidrógeno inferior izquierdo y un átomo de hidrógeno inferior derecho; los átomos de hidrógeno superior izquierdo y derecho permanecen libres.
Una sola molécula de hidrógeno, H2 o H ‒ H, se puede agregar a través del doble enlace, siendo reemplazada por un enlace simple, formando un etano «saturado» o H3C ‒ CH3. Sin embargo, hay dos formas en que los átomos de hidrógeno se pueden agregar a través del doble enlace. Ambos pueden agregar desde abajo el doble enlace, o uno puede agregar debajo, mientras que el otro agrega por encima del doble enlace en el otro lado. La adición de ambos átomos de hidrógeno a un lado de un doble enlace se llama «adición cis», mientras que la adición de uno a un lado y el otro al otro se llama «adición trans». Sin duda, la expresión “grasas trans”, que se utiliza para describir una grasa insaturada que ha sido hidrogenada por adición de trans, resultará familiar para el lector.
Los catalizadores aceleran la velocidad de las reacciones para las que se utilizan porque la vía de reacción se ve alterada por su presencia. Esto cambia el estado de transición y reduce la energía de activación requerida para llevar a cabo la reacción. Una ventaja de tal reacción llevada a cabo con un catalizador heterogéneo es la facilidad de recuperación del catalizador. Los catalizadores heterogéneos son especialmente adecuados para reacciones químicas de proceso continuo, en las que el material se proporciona, reacciona, elimina y reemplaza continuamente. Un ejemplo de un proceso catalítico tan heterogéneo de la industria del petróleo es el uso de material catalítico granulado en el denominado proceso de «lecho móvil».