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Viene chiamato catalizzatore un composto in grado di modificare la velocità di una reazione chimica senza essere consumato alla fine della reazione stessa. La modifica è nella stragrande maggioranza dei casi un aumento di velocità, e l'effetto è tale da rendere possibili reazioni che in condizioni normali non procederebbero in maniera apprezzabile: i casi più eclatanti si hanno in biochimica sia in laboratorio che nella ingegneria biochimica, dove gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni anche di 1020 volte. Un catalizzatore, in generale, modifica il meccanismo di reazione della reazione a cui partecipa: il più delle volte, questo si traduce in un abbassamento del salto di energia potenziale, detto energia di attivazione, che i reagenti devono compiere per raggiungere uno stato di transizione. In ogni caso, la presenza di un catalizzatore non rende possibile una reazione termodinamicamente sfavorita, e non modifica la posizione dell'equilibrio chimico. Lo schema più semplice di intervento di un catalizzatore C nella reazione fra due composti A e B è:
La reazione netta è sempre A + B → AB , mentre C viene rigenerato alla fine di ogni ciclo e non si consuma. Nel caso in cui un reagente si lega al catalizzatore in modo permanente, si parla di avvelenamento del catalizzatore, che perde così la sua efficacia. La frequenza di turnover definisce il rendimento di un catalizzatore ed è data dalla formula dove v è la velocità di reazione e [Q] la concentrazione molare del catalizzatore omogeneo. In caso di catalisi eterogenea, al denominatore compare la massa del catalizzatore o la sua estensione superficiale.
Catalizzatori omogenei ed eterogeneiDiagramma di una reazione catalitica che mostra l'energia richiesta a vari stadi lungo l'asse del tempo (coordinate di reazione). I substrati normalmente necessitano di una notevole quantità di energia (picco rosso) per giungere allo stato di transizione, onde reagire per formare il prodotto. La presenza di un catalizzatore (come un enzima) crea un microambiente nel quale i substrati possono raggiungere lo stato di transizione (picco blu) più facilmente, riducendo così la quantità d'energia richiesta. Essendo più facile arrivare a uno stato energetico minore la reazione può avere luogo più frequentemente e di conseguenza la velocità di reazione sarà maggiore. Idrogenazione dell'etene su un catalizzatore eterogeneo Un catalizzatore è detto omogeneo se si trova nella stessa fase dei reagenti: un esempio è la molecola cloro-tris(trifenilfosfina)-rodio(I) [RhCl(PPh3)3] (catalizzatore di Wilkinson), usata per l'idrogenazione in soluzione degli alcheni. Il vantaggio dei catalizzatori omogenei sta in un miglior contatto con i reagenti; questo è al tempo stesso uno svantaggio, perché è difficile separare e recuperare il catalizzatore alla fine della reazione. Un catalizzatore è detto eterogeneo se si trova in una fase diversa rispetto ai reagenti. In tal caso è formato di un supporto inerte, del catalizzatore vero e proprio e spesso di un distanziale, che separa gli elementi del catalizzatore vero e proprio, e di un promotore, che può considerarsi un catalizzatore della catalisi. Un semplice modello per i catalizzatori eterogenei prevede l'adsorbimento chimico dei reagenti sulla superficie del solido, e l'indebolimento dei legami interni alle molecole dei reagenti in modo da rendere più facile la formazione di nuovi legami. Il prodotto della reazione ha una minore affinità col catalizzatore e viene rilasciato (desorbimento). Un esempio classico è il ferro usato nel processo Haber per fare reagire azoto e idrogeno e produrre ammoniaca: il triplo legame che tiene saldamente uniti i due atomi di azoto è indebolito dall'adsorbimento sulla superficie del catalizzatore, rendendo più reattivo il gas e aumentando la velocità della reazione. Catalizzatori di interesse industrialeDal punto di vista pratico, l'uso principale dei catalizzatori nell'industria chimica consente condizioni di reazione meno drastiche per fare procedere velocemente reazioni di sintesi. Si stima che almeno il 60% di tutte le sostanze commercializzate oggi richiedano l'uso di catalizzatori in qualche stadio della loro sintesi. Dal punto di vista chimico, i catalizzatori eterogenei possono essere raggruppati come segue:
Alcuni fra i più importanti catalizzatori eterogenei usati nell'industria chimica sono:
Alcuni esempi di catalizzatori omogenei d'interesse industriale:
BiocatalizzatoriCome biocatalizzatori si intendono gli enzimi usati come catalizzatori (e si parla di catalizzatore enzimatico e di cinetica enzimatica nota come cinetica di Michaelis-Menten) o usando cellule, vive o morte, come tali o estraendo gli enzimi dalle cellule morte ed usando solo essi. Anche nel caso dei biocatalizzatori si può usare un promotore di catalisi che si chiama cofattore di tipo effettore, dei substrati di supporto e si hanno le varie tecniche di immobilizzazione delle cellule o i catalizzatori possono essere avvelenati da un cofattore di tipo inibitore enzimatico. Gli enzimi possono catalizzare molti tipi di reazioni chimiche, e ciascun tipo di enzima è specifico per un tipo di reazione. Le reazioni avvengono con grande velocità proprio grazie alla specificità degli enzimi. La parte della molecola reagente con cui questi catalizzatori enzimatici hanno specificità è chiamata substrato. Si forma quindi un complesso enzima-substrato, la cui formazione è dovuta a interazioni deboli di tipo elettrostatico o legami covalenti. Non tutto l'enzima è interessato alla formazione del complesso enzima-substrato, ma solo una parte detta sito attivo. A seconda delle condizioni di flessibilità tra enzima e substrato si avranno diversi gradi di specificità: assoluta, di gruppo, di legame, stereochimica.
Catalisi ambientaleI catalizzatori usati nelle marmitte delle automobili sono formati da metalli nobili (generalmente platino e rodio) dispersi su un supporto ceramico, formato da ossido di cerio e zirconio. Promuovono la contemporanea ossidazione del carburante incombusto e del monossido di carbonio ad anidride carbonica e acqua, e la riduzione degli ossidi di azoto ad azoto e acqua. Data la contemporanea attività su tre reazioni, sono detti catalizzatori a tre vie (TWC). 
   
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