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

การเผาไหม้ปิโตรเลียมหรือแก๊สโซลีนอย่างไม่สมบูรณ์ก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่เป็นพิษ การเผาไหม้ในที่ขาดออกซิเจนส่งผลให้เกิดคาร์บอนมอนออกไซด์ เนื่องจากอุณหภูมิสูงและความดันสูงที่เกี่ยวข้อง ไอเสียจากการเผาไหม้แก๊สโซลีนในเครื่องยนต์รถยนต์จึงมักมีไนโตรเจนออกไซด์ ซึ่งเป็นตัวการในการเกิดหมอกควันแบบโฟโตเคมี

การเกิดปิโตรเลียม

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]

ในสภาพแวดล้อมซึ่งอุดมไปด้วยสารอาหาร อย่างอ่าวเม็กซิโกและทะเลทีทีสโบราณ ซึ่งอินทรีย์วัตถุปริมาณมากที่จมลงสู่ก้นมหาสมุทรเกินกว่าอัตราที่เกิดการย่อยสลาย อันส่งผลให้อินทรีย์วัตถุปริมาณมากถูกฝังอยู่ใต้สิ่งที่ทับถมตามมาอย่างชั้นหินที่ก่อตัวขึ้นจากโคลน ตะกอนอินทรีย์วัตถุมหาศาลนี้ภายหลังจะถูกความร้อนและเปลี่ยนแปลงภายใต้แรงดันเป็นน้ำมัน[19]

นักธรณีวิทยาศึกษาพบพิสัยอุณหภูมิซึ่งน้ำมันก่อตัว โดยต่ำกว่าอุณหภูมิต่ำสุดซึ่งน้ำมันจะยังคงอยู่กักเก็บไว้ในรูปของเคอโรเจน และสูงกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่น้ำมันจะเปลี่ยนเป็นแก๊สธรรมชาติผ่านกระบวนการแยกสลายด้วยความร้อน บางครั้ง น้ำมันอาจกำเนิดที่ความลึกมาก ซึ่งอาจมีการเคลื่อนตัวและถูกกักไว้ในระดับที่ตื้นกว่ามาก

นักธรณีวิทยาจำนวนน้อยยึดถือสมมติฐานที่ว่าปิโตรเลียมกำเนิดจากอนินทรีย์วัตถุ โดยมีหลักการว่า ไฮโดรคาร์บอนน้ำหนักโมเลกุลมากที่กำเนิดขึ้นจากอนินทรีย์วัตถุเกิดขึ้นภายในโลก และเป็นแหล่งสะสมปิโตรเลียมสำคัญ สมมติฐานดังกล่าวเดิมเสนอโดย นิโคไล คูไคยาฟเซฟ (Nikolai Kudryavtsev) และวลาดีมีร์ พอร์ฟิริเยฟ (Vladimir Porfiriev) ในคริสต์ทศวรรษ 1950 และล่าสุด โทมัส โกลด์ เสนอแนวคิดชีวภาคร้อนใต้ทะเลลึก (deep hot biosphere) ที่คล้ายกัน แต่สมมติฐานดังกล่าวมิได้อธิบายเส้นทางการสังเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งจำเป็นต่อการนำพาอนินทรีย์สารวัตถุไปใต้ผิวน้ำมัน, การสังเกตพบร่องรอยทางอินทรีย์ในเคอโรเจนและน้ำมัน และไม่มีแหล่งสะสมน้ำมันถูกพบตามสมมติฐานดังกล่าว[20]