Le terme phase fait référence à l’état de la matière ; il existe des phases solide, liquide et gazeuse. Un catalyseur hétérogène est un participant à une réaction chimique qui ne fait pas partie de la même phase de la matière que les réactifs réels. Par exemple, les liquides peuvent subir une réaction en présence d’un catalyseur solide. Alors que le catalyseur accélère le processus d’une réaction, il reste lui-même non consommé par les réactifs. Les métaux précieux ou autres métaux de transition sont souvent utilisés comme catalyseur hétérogène et peuvent être finement divisés pour une exposition de surface accrue sur un substrat ou un support.
C’est le catalyseur hétérogène plutôt que la variété homogène qui est le plus largement utilisé industriellement. La surface catalytique exposée fournit des sites pour une faible liaison de surface de réactifs géométriquement alignés. Ce comportement est important, comme par exemple dans l’hydrogénation des doubles liaisons carbone-carbone. Il est bon de considérer un exemple comme l’éthylène, qui a la structure chimique H2C=CH2. Lorsqu’une molécule d’éthylène s’approche un peu de la surface catalytique, elle s’adsorbe ou se fixe par un atome d’hydrogène inférieur gauche et un atome d’hydrogène inférieur droit – les atomes d’hydrogène supérieurs gauche et droit restant libres.
Une seule molécule d’hydrogène, H2 ou H‒H, peut alors s’ajouter à travers la double liaison, remplacée par une simple liaison, formant un éthane saturé ou H3C‒CH3. Cependant, les atomes d’hydrogène peuvent s’ajouter à travers la double liaison de deux manières. Soit les deux peuvent ajouter par le dessous de la double liaison, soit l’un peut ajouter en dessous, tandis que l’autre ajoute au-dessus de la double liaison de l’autre côté. L’addition des deux atomes d’hydrogène d’un côté d’une double liaison est appelée « cis-addition », tandis que l’ajout d’un d’un côté et de l’autre de l’autre est appelé « trans-addition ». Sans aucun doute, l’expression gras trans — utilisée pour décrire une graisse insaturée qui a été hydrogénée par addition de trans — sera familière au lecteur.
Les catalyseurs accélèrent la vitesse des réactions pour lesquelles ils sont utilisés car la voie réactionnelle est altérée par leur présence. Cela modifie l’état de transition et abaisse l’énergie d’activation nécessaire pour effectuer la réaction. Un avantage d’une telle réaction réalisée avec un catalyseur hétérogène est la facilité de récupération du catalyseur. Les catalyseurs hétérogènes sont particulièrement bien adaptés aux réactions chimiques à processus continu, dans lesquelles le matériau est fourni, mis à réagir, retiré et remplacé, en continu. Un exemple d’un tel procédé catalytique hétérogène issu de l’industrie pétrolière est l’utilisation de matière catalytique pastillée dans le procédé dit en lit mobile.