Katalüüs: homogeenne ja heterogeenne

Katalüsaator suurendab reaktsiooni kiirust, ilma et see püsivalt kuluks ja ilma reaktsiooni tasakaalupositsiooni nihutamata — see muudab, kui kiiresti tasakaal saavutatakse, mitte seda, kus tasakaal asub, kuna nii edasi- kui tagasireaktsiooni kiirused kiirenevad täpselt sellise koguse võrra, mis on vajalik tasakaalukonstandi muutumatuna hoidmiseks. Selle kiiruse kasvu taga olev mehhanism on igal juhul sama: katalüsaator pakub alternatiivset reaktsiooniteed madalama aktivatsioonienergiaga kui katalüsaatorita rada. Meenutades Arrheniuse võrrandit, tähendab madalam aktivatsioonienergia tunduvalt suuremat osakaalu molekulipõrgetest, millel on piisavalt energiat reageerimiseks, mis ongi täpselt põhjus, miks isegi väike aktivatsioonienergia vähenemine võib tekitada dramaatilise kiiruse kasvu.

Katalüsaatoreid liigitatakse selle järgi, kas nad jagavad lähteainetega faasi. Homogeenses katalüüsis on katalüsaator lahustatud või dispergeeritud samasse faasi kui lähteained — tavaliselt samasse vedelasse lahusesse — ja suhtleb lähteainete molekulidega tavaliste lahusefaasi põrgete ja kompleksi moodustumise kaudu. Ensüümid, bioloogilised katalüsaatorid, mis kiirendavad peaaegu iga reaktsiooni elusrakkude sees, on silmapaistev näide: ensüüm, mis on lahustatud koos oma substraadiga raku vesises sisemuses, seob substraadi aktiivsaidil, mis on kujundatud reaktsiooni üleminekuoleku stabiliseerimiseks, alandades dramaatiliselt selle konkreetse reaktsiooni efektiivset aktivatsioonienergiat, sageli mitme suurusjärgu võrra kiiruses.

Heterogeenses katalüüsis eksisteerib katalüsaator lähteainetest erinevas faasis, kõige sagedamini tahke katalüsaatorina, mis toimib gaas- või vedelfaasis lähteainetele. Katalüütiline toime kulgeb sel juhul tavaliselt adsorptsiooni kaudu: lähteainete molekulid adsorbeeruvad esmalt tahke katalüsaatori pinnale (reguleeritud sama Langmuiri-tüüpi tasakaaluga, mis kirjeldab gaas-tahke adsorptsiooni üldiselt), kus pinna kohalik elektrooniline ja geomeetriline struktuur nõrgestab teatud sidemeid adsorbeerunud molekulis või toob reageerivad osalised soodsasse lähedusse ja orientatsiooni, alandades pinnaga seotud reaktsiooni aktivatsioonienergiat võrreldes sama reaktsiooniga, mis toimub vabalt lendavate gaasimolekulide vahel. Pärast pinnal reageerimist desorbeeruvad saadused, vabastades saidi edasisteks katalüütilisteks tsükliteks. Tööstuslik heterogeenne katalüüs — tahked katalüsaatorid autode heitgaasikonverterites, ammoniaagi sünteesis ja naftatöötluses — kasutab ära täpselt seda pinnaga vahendatud rada, ja kuna reaktsioon toimub spetsiifiliselt katalüsaatori pinnal, on pindala maksimeerimine (peened pulbrid, poorsed kandjad) standardne ja otsene viis heterogeense katalüsaatori üldise tõhususe suurendamiseks.