지하에서 천연적으로 생산되는 액체 탄화수소 또는 이를 정제한 것. 이 중 정제하지 않은 자연상태 그대로의 것을 원유(原油)라고 한다.

【성분과 성상】 원유는 탄소(84~87 ％)·수소(11~14 ％)를 주성분으로 하고, 이외에 황·질소·산소를 소량 함유하며 특유한 냄새가 있는 액체이다. 화학적으로는 탄화수소의 복잡한 화합물인데, 그 성상(性狀)은 산지에 따라 많이 다르며 회수율도 매우 다르다.

따라서 석유를 획일적으로 분류하기는 곤란하나, 개괄적인 분류법으로 파라핀납분(蠟分)을 많이 함유하는 원유를 파라핀기 원유, 아스팔트분을 많이 함유한 원유를 아스팔트기 원유(또는 나프텐기 원유), 둘 다 함유한 원유를 혼합기 원유라고 한다.

아스팔트기 원유는 나프텐계 탄화수소를 많이 포함하며, 가솔린분은 옥탄값이 높고, 등유분은 연소성이 나쁘며, 경유분은 세탄(cetane)값이 낮고, 윤활유분은 점도지수(粘度指數)가 낮으나 아스팔트는 양호한 것을 얻을 수 있다. 파라핀납은 제조되지 않는다.

이런 종류의 원유로는 미국 캘리포니아와 텍사스 원유, 멕시코 원유, 베네수엘라 원유 등이 있다. 파라핀기 원유는 파라핀계 탄화수소를 많이 함유하며, 가솔린의 옥탄값은 낮고, 등유는 연소성이 좋으며, 경유분은 세탄값이 높고 윤활유의 점도지수는 높으나 아스팔트는 얻을 수 없다. 고급 윤활유와 파라핀납 제조에 적당하다. 미국 펜실베이니아 원유, 수마트라 원유, 중동 원유 등이 이것에 속한다.

혼합기 원유는 미국 미드·콘티넨트 원유나 일본산 원유의 대부분이 이것에 속한다. 이외에 방향족 탄화수소를 많이 함유한 석유로는 보르네오 원유, 대만 원유 등이 있다. 올레핀계 탄화수소는 원유 중에는 거의 없다. 황분은 원유 중에 메르캅탄·황화물·이황화물·티오펜 등의 화합물로 존재하며, 중질유(重質油) 속에 많다.

또 증류·분해·수소화 등의 정제공정에서는 이들 황분이 황화수소의 형태로 분리되는 것이 많다. 황분은 제품의 품질, 정제장치에 대해 유해하므로 정제공정에서 제거되는 경우가 많다. 산소는 원유 속에 처음부터 존재하던 것과 정제공정에서 산화에 의해 생긴 것이 있는데, 전자에 지방산·나프텐산·페놀류가 있고, 후자에는 알코올·알데히드·산·케톤·과산화물이 있다. 산류(酸類)는 알칼리 세정으로 제거된다.

질소화합물은 대부분이 염기성이며 피리딘·퀴놀린·이소퀴놀린 등의 유도체인 경우가 많다. 질소화합물은 제품의 색상 안정성을 열화(劣化)시키는 외에 접촉분해·접촉개질·수소화분해 등 장치의 촉매독(觸媒毒)이 되므로 수소화 정제, 황산 세정 등으로 제거한다.

원유 중에 극히 미량으로 존재하는 여러 금속이 있다. 이들은 나프텐산염 또는 금속 포르피린 화합물로 원유 속의 탄화수소에 녹아 있거나 무기염으로 수반되는 이수분(泥水分) 속에 존재한다. 이들은 증류과정에서 잔사유(殘渣油) 속으로 이행되어 유출유(溜出油) 속에는 적게 존재한다. 니켈·바나듐·비소·납 등은 촉매독이 된다.

【석유의 생성】 석유가 어떤 원료로 어떻게 해서 된 것인가에 대해 명백히 밝혀진 바는 아직 없다. 19세기 중엽부터 20세기 초에 걸쳐 많은 학자들이 무기적(無機的)인 성인설(成因說)을 제창하였으나, 오늘날은 거의 채택되지 않고 있다.

과거의 무기성인설은 석유는 무기물의 원료에서 무기적으로 합성된 것이라는 설인데, 이것에는 다음과 같은 것이 있다.
① 카바이드설:1866년 M.베르틀로는 지구 내부에 유리(遊離)된 알칼리 금속이 있다고 가정하고, 이것이 이산화탄소와 반응하여 일종의 카바이드가 생기고, 카바이드가 물과 작용하여 아세틸렌이 생기는데 이것이 중합·축합되어 석유가 되었다고 설명하였다. 77년 D.I.멘델레예프도 철카바이드의 존재를 가정하여 비슷한 학설을 주장하였다.

② 화산원설(火山源說):1909년 코스트 등은 화산작용에 의하여 석유가 합성된다고 주장하였다.

③ 우주원설(宇宙源說):1890년 소콜로프는 탄화수소는 지구가 발생할 당시에 합성되고 지구의 응고와 동시에 지구 내부에 내포되어 있던 것이 지표 가까이로 상승하여 석유가 되었다고 하는 설을 제창하였다.

이것에 대해 유기성인설은 동식물을 원료로 해서 석유가 생성되었다고 하는 설인데 이것에는 다음과 같은 것이 있다.
① 육생식물 근원설(陸生植物根源說):1832년 B.실리먼 등은 육생식물이 퇴적물에 파묻혀 석탄이 된 후 지하 지열에 의해 건류되어 석유가 되었다고 주장하였다. 1891년 스미스, 1920년 크레이그는 석탄과 석유는 같은 근원이며 그 메커니즘의 여하에 따라서 석탄이 되기도 하고 석유가 되기도 한다는 설을 내세웠다. 이 밖에 육생식물 포자(胞子)·꽃가루·씨·수지 등이 진흙과 함께 매몰되어 함유혈암(含油頁岩)이 되고, 이것이 지하에서 건류되어 석유가 된다고 주장하는 학자도 있었다.

② 해서동물(海棲動物) 근원설:유층 부근 지층에서 물고기·조개·산호 등 해서동물의 화석이 나오는 것에 착안하여 이들 동물이 석유의 근원물질이라고 주장하는 사람도 있었다. 그 중에서도 1888년 엥글러는 물고기 등 동물유해에서 발효로 단백질·섬유질이 제거되고 남은 지방·납 등이 지압(地壓)이나 지열에 의해 석유가 생성된다는 설을 발표하였다.

③ 해생식물(海生植物) 근원설:1866년 레퀘르 등은 석유 근원물질은 해조 등 해생식물이라고 하였다. 또 1900년 크뢰머 등은 규조를 석유의 근원물질로 생각하고 이 중의 납분이 광납을 생성하여, 이것이 적당한 온도·압력에 의해 액상석유로 변화한다는 성인설을 발표하였다.

④ 동식물 근원설:동물과 식물 양쪽에서 석유가 생길 수 있다는 설이며, 1905년 포토니가 제창한 부니설(腐泥說)도 이 근원설의 하나이다. 포토니는 하등조류·수생동물·꽃가루·포자 등이 물이 정체하고 있는 물밑에 침적되고 혐기성 박테리아의 작용으로 그 속의 지방·납·수지물이 부니(바다·호수 밑바닥에 쌓인 유기물이 썩어서 변한 검은 진흙)로 변한 후 이것이 건류되어 석유가 생긴다고 주장하였다.

이상 여러 학설 외에도 여러 가지가 있으나 요컨대 석유성인설은 일반적으로 석유에 관한 지질학적인 사실과 모순되지 않고, 화학적으로도 성립되는 것이라야 한다. 카바이드나 유리 알칼리금속은 지각 속에서 발견되지 않았으며, 화산가스 속에 메탄가스가 있거나 화산암에서 석유가 생산된다는 것은 예외적인 현상에 지나지 않는다.

대체로 무기성인설은 석유가 보통 해성퇴적물 속에 존재하는 점, 석유 속에는 포르피린 등과 같이 생물체에서 무기적으로는 합성되지 않는 것이 있다는 점, 석유는 광회전성을 가지고 있다는 점 등의 사실과 모순되므로 오늘날에는 받아들여지지 않는다. 또 육생식물 근원설은, 석유는 일반적으로 해성지층 속에 석탄이나 함유혈암을 수반하지 않고 산출되는 점, 그리고 석유는 200 ℃ 이상 고온을 받은 적이 없다는 점(포르피린은 200 ℃에서 분해된다), 석탄·함유혈암의 건류물은 석유와 조성이 다르다는 점 등의 사실과 상치되므로 현재는 지지를 받지 못한다.

오늘날 일반적으로 생각되고 있는 것처럼 해서동물 근원설과 같이 석유근원물질을 특정 동물에 한정시키는 것은 타당하지 않으므로 이 설도 채택되지 않고 있다. 오늘날 석유성인설은 일반적으로 바다의 식물과 동물을 근원물질로 하고 있어 포토니의 부니설과 비슷하나 여러 점에서 차이를 나타낸다.

상세한 점에서는 여러 가지로 의견을 달리하며, 아직도 불명한 것이 적지 않으나, 최근 받아들여지는 석유성인설의 일반적인 경향은 대체로 다음과 같다. 석유의 근원물질은 바다생물이며, 특정한 동물 또는 식물에 국한되지 않는다. 지질시대부터 보편적으로 존재하며, 양적으로도 많은 것이 근원물질로서 중요한 구실을 한 것으로 생각된다. 이런 점에서 비교적 하등생물인 플랑크톤과 같은 것이라고 생각하기 쉽다.

플랑크톤의 일종인 규조는 처음부터 그 체내에 석유와 유사한 탄화수소를 조금이나마 함유한 것도 있다. 석유가 생성되는 장소는 그와 같은 생물유체가 많이 집적하고 산화되지 않고 잘 보존되는 곳, 즉 육지와 비교적 가까운 해저분지나 내만(內灣)과 같이 물이 정체하여 산소공급이 적으며, 진흙이 퇴적하는 해저를 생각할 수 있다. 이런 곳에서는 저서동물(底棲動物)과 호기성 박테리아는 거의 생식할 수 없고, 해저에 침적된 유기물은 혐기성 박테리아의 활동으로 함유된 산소 등이 제거·소비되어 석유계 탄화수소에 가까운 것이 된다.

혐기성 박테리아의 이런 작용은 조벨 등의 최근 연구에 의해 점차 밝혀지고 있으나, 박테리아가 유기물을 어느 정도까지 석유와 비슷하게 할 수 있는가는 아직 분명하지 않다. 진흙의 퇴적으로 유기물이 깊이 매몰되면 박테리아의 활동이 급격히 쇠퇴된다. 그 대신 압력·열이 점점 높아진다.

이미 설명하였듯이 석유생성에는 200 ℃ 이상 고온은 생각할 수 없기 때문에, 유기물과 함께 존재하는 점토광물과 바나듐·니켈·몰리브덴 등의 미량원소가 촉매작용을 하여 장시간에 걸쳐 유기물에서 석유로 전환하고 유질이 변화한다고 생각된다. 그러나 이상의 과정에서 유기물 중의 어떤 성분이 어떻게 변화하는가에 대해서는 많이 논의되고 있다.
그리고 진흙 속에 존재하는 방사성 물질로부터 사출되는 α입자에 의해 장기간에 걸쳐 유기물 속의 지방산에서 파라핀계 탄화수소가 생긴다는 변화도 생각할 수 있다.

석유가 되기 위해서 시간이 얼마나 걸리는가에 대해서는 확실하지 않으나, 1954년 스미스에 의하면 현대 해저퇴적물 중에도 석유와 비슷한 탄화수소가 검출되는 것으로 보아 수백만 년이라는 세월은 필요하지 않을 것으로 생각된다. 이상과 같은 물리·화학적 여러 변화를 거쳐 실제로 석유광상에 석유가 채워지게 되려면 지질·지층학적 환경도 필요하다.

【물리적 성질】 원유는 화학조성이 복잡하고 또한 가스체의 탄화수소와 고체·반고체의 탄화수소 사이에 명확한 경계가 있는 것도 아니므로 물리적 성질도 다양하다. 비중은 0.78~0.95인 것이 대부분이며, 일반적으로 파라핀계 탄화수소가 많은 원유는 비중이 작고, 나프텐계 탄화수소가 많은 것은 비중이 큰 편이다. 색은 갈색·황색·적갈색·흑색 등인데 중질(重質)의 것일수록 검다.

형광을 발하며, 흔히 녹색을 띠고 있다. 또 광회전성(光回轉性)이 있는데 이는 원유 속에 있는 콜레스테롤 때문이라고 생각된다. 그 밖에 대부분의 원유는 점도 0.02~0.2스토크, 굴절률 1.39~1.50, 표면장력 24 ~35 dyne/cm, 발열량 10,500∼11,500 kcal/kg이며, 끓는점·어는점은 확실하지 않다.

일반적으로 중질일수록 점도·굴절률·끓는점은 높아지고 발열량은 작아진다. 또 원유는 유전 가스를 잘 용해하는데 그것이 많이 용해되면 부피가 증대하고 비중·점도가 낮아진다.

【석유이용의 발전】 예로부터 연료로 사용되었던 석탄과 달라서, 석유가 공업적으로 처리되기 시작한 것은 19세기 중엽부터이다. 처음에는 등화용으로서 등유·파라핀납이 제조되었는데, 재래의 등화연료이었던 경유(鯨油)·식물유·목랍 등에 비해 연기와 냄새가 적을 뿐 아니라 불빛이 밝으므로 단시일에 전세계에 보급되어, 당시의 산유국인 미국에서는 중요한 수출품이 되었다.

그 부산물로 얻어지는 가솔린분·중유분은 용도가 적으므로 귀찮은 존재여서 천대를 받았으나, 자동차·전등이 보급되기 시작함으로써 가솔린과 등유의 위치가 바뀌어 선박용·공장연료·디젤기관 등에 중유가 사용되면서부터 석유제품의 주역(主役)이 교체되었다.

특히 제1·2차 세계대전을 사이에 두고 군용항공기의 연료로서 가솔린의 중요성이 인정되어, 이때까지는 대부분이 원유의 물리적인 분리만으로 제조되던 석유제품으로는 충족할 수 없는 고도의 성상(性狀)이 요구되기 시작하였다. 따라서 석유정제업에도 촉매반응을 포함한 화학반응공정이 체택되어, 고급 가솔린이 보급되기 시작하였다. 이 수요는 제2차 세계대전 후 민간항공기에 인계되었고, 또한 자동차용 기관의 성능이 향상됨에 따라 항공 가솔린급(級)의 것도 자동차에 사용되기에 이르렀다.

항공기관의 제트화(化)가 완료된 오늘날에는 항공 가솔린에 대한 요구와는 다른 질적으로 우수한 제트 연료가 요구되고 있으며, 앞으로 초음속 제트에는 현재보다도 더욱 열량이 높고 효율이 좋은 연료가 필요하게 되었다. 또한 자동차용 가솔린도 단순히 옥탄값이 높을 뿐만이 아니라 자동차 배기가스에 의한 환경오염을 없애기 위해, 가연(加鉛)하지 않고 더구나 환경오염의 원인이 되는 유해물질을 만들지 않는 것이 필요하게 되었다.

또 연료로서 석유자원을 태워버리는 데 대한 비판의 소리도 높아지고 있다. 즉, 석유가 석유화학공업의 탄화수소원으로서 갖가지 물질의 골격으로 사용되는 것을 중시하여 석유를 단순히 에너지원(源)으로 보는 것이 아니라, 수력·원자력 등 다른 에너지원으로는 보충할 수 없는 부분을 석유가 담당해야 한다는 생각이 바로 그것이다.