ปิโตรเลียม (ละติน: PETROLEUM, petra (หิน)
+ oleum (น้ำมัน) รวมหมายถึง
"น้ำมันที่ได้จากหิน") หรือ น้ำมันดิบ
เป็นของเหลวไวไฟที่เกิดเองตามธรรมชาติ
ประกอบด้วยสารผสมซับซ้อนระหว่างไฮโดรคาร์บอนที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่างกัน
กับสารประกอบอินทรีย์ที่เป็นของเหลวอื่น ๆ ซึ่งพบในชั้นธรณีวิทยาใต้ผิวโลก
เป็นเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ เกิดได้จากซากสิ่งมีชีวิต
(มักเป็นแพลงก์ตอนสัตว์และสาหร่าย)
จำนวนมากทับถมกันใต้หินตะกอนและได้รับความร้อนและความดันมหาศาล
การขุดเจาะน้ำมันเป็นวิธีการส่วนใหญ่ในการได้มาซึ่งปิโตรเลียม
ซึ่งเป็นขั้นตอนหลังการศึกษาโครงสร้างธรณีวิทยา การวิเคราะห์แอ่งตะกอน
และลักษณะหินกักเก็บปิโตรเลียมหลังขุดเจาะขึ้นมาแล้ว
ปิโตรเลียมจะถูกกลั่นและแยกเป็นผลิตภัณฑ์บริโภคหลายชนิด ตั้งแต่แก๊สโซลีนและน้ำมันก๊าด
ไปจนถึงยางมะตอยและตัวทำปฏิกิริยาเคมีซึ่งใช้ในการทำพลาสติกและเภสัชภัณฑ์[4] นอกจากนี้
ปิโตรเลียมยังใช้ในการผลิตวัสดุอีกหลายชนิด
ปิโตรเลียมมีธาตุองค์ประกอบหลัก 2 ชนิด คือ คาร์บอนและไฮโดรเจน
และอาจมีธาตุอโลหะชนิดอื่นปนอยู่ด้วย เช่น กำมะถัน ออกซิเจน และไนโตรเจน
ทั้งนี้ปิโตรเลียมเป็นได้ทั้ง 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว
และแก๊ส ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ
รวมถึงความร้อนและความดันของสภาพแวดล้อมในการเกิดและการกักเก็บปิโตรเลียม
แบ่งตามสถานะได้เป็นสองชนิดหลัก คือ น้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ โดยแก๊สธรรมชาตินั้น
ประกอบด้วยคาร์บอนตั้งแต่ 1-4 อะตอม
ปิโตรเลียมเป็นการผสมกันของไฮโดรคาร์บอนต่างชนิดกันจำนวนมาก
ซึ่งที่พบได้มากที่สุดในโมเลกุลเป็นอัลแคน (โซ่ตรงหรือโซ่กิ่ง) ไซโคลแอลเคน
อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน หรือสารเคมีที่ซับซ้อนกว่าอย่างแอสฟัลทีน
ปิโตรเลียมแต่ละอย่างมีการผสมกันของโมเลกุลเป็นเอกลักษณ์เฉพาะ ซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี
เช่น สีและความหนืด
แอลเคน หรือที่รู้จักกันว่า พาราฟิน
เป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่เป็นโซ่ตรงหรือโซ่กิ่งที่มีเฉพาะธาตุคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ
มีสูตรทั่วไปว่า CnH2n+2
โดยทั่วไปมักมีคาร์บอน 5 ถึง 40 อะตอมต่อโมเลกุล แม้จะมีโมเลกุลที่สั้นกว่าหรือยาวกว่าบ้างในสารผสม
แอลเคนตั้งแต่เพนเทน (C5H12) ถึงออกเทน (C8H18) ถูกกลั่นเป็นแก๊สโซลีน แอลเคนตั้งแต่โนเนน (C9H20) ถึงเฮกซะเดคเคน (C16H34)
ถูกกลั่นเป็นเชื้อเพลิงดีเซล
น้ำมันก๊าด และเชื้อเพลิงเจ็ต แอลเคนที่มีอะตอมคาร์บอนมากกว่า 16 อะตอมสามารถถูกกลั่นเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่น
ไขพาราฟินเป็นแอลเคนที่มีอะตอมคาร์บอนประมาณ 25 อะตอม
ขณะที่ยางมะตอยมี 35 หรือมากกว่า
แม้เหล่านี้โดยทั่วไปจะถูกแยกโดยโรงกลั่นสมัยใหม่เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีค่ากว่า
โมเลกุลที่สั้นที่สุด คือ มีอะตอมคาร์บอนน้อยกว่า 4 อะตอม
อยู่ในสถานะแก๊สที่อุณหภูมิห้อง เหล่านี้เป็นแก๊สปิโตรเลียม
ขึ้นอยู่กับปริมาณความต้องการและมูลค่าของการเอาลับคืน
แก๊สเหล่านี้จะถูกทำให้ลุกไหม้ไป (flare) ขายเป็นแก๊สปิโตรเลียมเหลวภายใต้ความดัน
หรือใช้เป็นพลังงานแก่เตาเผาของโรงกลั่นเอง ช่วงฤดูหนาว (C4H10) ถูกผสมเข้าสู่บ่อแก๊สโซลีนในอัตราสูง
เพราะแรงดันไอที่สูงของบิวเทนช่วยสตาร์ดขณะเครื่องเย็น (cold start) ด้วยถูกทำให้เป็นของเหลวภายใต้ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย
มันเป็นที่รู้จักกันดีว่าให้พลังงานแก่ไฟจุดบุหรี่ แต่ยังเป็นแหล่งเชื้อเพลิงหลักในประเทศกำลังพัฒนาหลายประเทศ
โพรเพนสามารถทำให้เป็นของเหลวภายใต้ความดันเล็กน้อย
และใช้บริโภคได้แทบทุกอย่างที่เกี่ยวกับพลังงาน
ตั้งแต่การทำอาหารไปจนถึงการให้ความร้อนและการขนส่ง
ไซโคลแอลเคน หรือที่รู้จักกันในชื่อ แนพทีน
เป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวซึ่งมีวงแหวนคาร์บอนหนึ่งวงหรือมากกว่า
ซึ่งมีอะตอมไฮโดรเจนเกาะอยู่ตามสูตร CnH2n ไซโคลแอลเคนมีคุณสมบัติเหมือนกับแอลเคนแต่มีจุดเดือดสูงกว่า
อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนเป็นไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวซึ่งมีวงแหวนเชิงระนาบหกคาร์บอนหนึ่งวงหรือมากกว่า
ที่เรียกว่า เบนซินริง ซึ่งมีอะตอมไฮโดรเจนเกาะเข้าตามสูตร CnHn อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนเมื่อเผาไหม้แล้วให้ควันเขม่า และมีกลิ่น
บางชนิดเป็นสารก่อมะเร็ง
โมเลกุลที่แตกต่างกันเหล่านี้ถูกแยกโดยการกลั่นลำดับส่วนที่โรงกลั่นน้ำมัน
เพื่อผลิตเป็นแก๊สโซลีน เชื้อเพลิงเจ็ต น้ำมันก๊าด และไฮโดรคาร์บอนอื่น ตัวอย่างเช่น
2, 2, 4-ไตรเมทิลเพนเทน (ไอโซออกเทน)
ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในแก๊สโซลีน มีสูตรเคมี C8H18
และทำปฏิกิริยากับออกซิเจนแบบคายความร้อน[16] ดังสมการด้านล่าง
2 C8H18
(l) + 25 O2 (g) → 16 CO2 (g) + 18 H2O (g) + 10.86 MJ/mol (ของออกเทน)
การเผาไหม้ปิโตรเลียมหรือแก๊สโซลีนอย่างไม่สมบูรณ์ก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่เป็นพิษ
การเผาไหม้ในที่ขาดออกซิเจนส่งผลให้เกิดคาร์บอนมอนออกไซด์
เนื่องจากอุณหภูมิสูงและความดันสูงที่เกี่ยวข้อง
ไอเสียจากการเผาไหม้แก๊สโซลีนในเครื่องยนต์รถยนต์จึงมักมีไนโตรเจนออกไซด์
ซึ่งเป็นตัวการในการเกิดหมอกควันแบบโฟโตเคมี
การเกิดปิโตรเลียม
โครงสร้างของสารประกอบวานาเดียมพอร์ไฟรินซึ่งแยกจากปิโตรเลียม
ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับโมเลกุลของคลอโรฟิลล์เอ
ปิโตรเลียมเป็นเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์
เกิดจากการกลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ของอินทรีย์วัตถุ เช่น แพลงก์ตอนสัตว์และสาหร่าย[17] ซึ่งซากดึกดำบรรพ์จำนวนมากของอินทรียวัตถุเหล่านี้ยังอยู่ ณ
ก้นทะเลหรือทะเลสาบ ผสมกับตะกอน และถูกฝังอยู่ใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจน
เมื่อมีการทับถมกันสะสมเพิ่มขึ้นที่ก้นทะเลหรือทะเลสาบ
ก็จะเกิดความร้อนและความดันอย่างรุนแรงเกิดขึ้นที่ชั้นต่ำกว่า
กระบวนการนี้ทำให้อินทรีย์วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง
โดยขั้นแรกจะเปลี่ยนเป็นเคอโรเจน ซึ่งพบในหินน้ำมันทั่วโลก
จากนั้นเมื่อเคอโรเจนได้รับความร้อนมากขึ้น
ก็จะเปลี่ยนแปลงต่อเป็นไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวและแก๊สผ่านกระบวนการชื่อ
ช่วงการกำเนิด (catagenesis) การกำเนิดปิโตรเลียมเกิดขึ้นจากการสลายไฮโดรคาร์บอนด้วยความร้อนในปฏิกิริยาดูดความร้อนเป็นหลักที่อุณหภูมิ
และ/หรือ ความดันสูง หลายปฏิกิริยา[18]
