Dầu thô, hay còn gọi dầu mỏ, vàng đen (tiếng Anh: petroleum hay crude oil; gốc tiếng Hy Lạp: petra - đá và elaion - dầu; hay tiếng Latin oleum - dầu), là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục. Dầu thô tồn tại trong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái Đất. Dầu mỏ là một hỗn hợp gồm nhiều hydrocarbon, phần lớn thuộc gốc alkane, nhưng thành phần rất đa dạng. Hiện nay dầu mỏ chủ yếu dùng để sản xuất dầu hỏa, diezen và xăng nhiên liệu^[1]. Ngoài ra, dầu thô cũng là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất ra các sản phẩm của ngành hóa dầu như dung môi, phân bón hóa học, nhựa, thuốc trừ sâu, nhựa đường... Khoảng 88% dầu thô dùng để sản xuất năng lượng, 12% còn lại dùng cho hóa dầu. Do dầu thô là nguồn năng lượng không tái tạo nên nhiều người lo ngại về khả năng cạn kiệt dầu trong một tương lai không xa.

Đa số các nhà địa chất coi dầu lửa giống như than và khí tự nhiên là sản phẩm của sự nén và nóng lên của các vật liệu hữu cơ trong các thời kỳ địa chất. Theo lý thuyết này, nó được tạo thành từ các vật liệu còn sót lại sau quá trình phân rã xác các động vật và tảo biển nhỏ thời tiền sử. (Các cây cối trên mặt đất thường có khuynh hướng hình thành than.) Qua hàng thiên niên kỷ vật chất hữu cơ này trộn với bùn, và bị chôn sâu dưới các lớp trầm tích dày. Kết quả làm tăng nhiệt và áp suất khiến cho những thành phần này bị biến hoá, đầu tiên thành một loại vật liệu kiểu sáp được gọi là kerogen, và sau đó thành một hydrocarbons khí và lỏng trong một quá trình được gọi là catagenesis. Bởi vì hydrocarbons có mật độ nhỏ hơn đá xung quanh, chúng xâm nhập lên phía trên thông qua các lớp đá ngay sát đó cho tới khi chúng bị rơi vào bẫy bên dưới những tảng đá không thể ngấm qua, bên trong những lỗ xốp đá gọi là bể chứa. Sự tập trung hydrocarbons bên trong một bẫy hình thành nên một giếng dầu, từ đó dầu lỏng có thể được khai thác bằng cách khoan và bơm.

Các nhà địa chất cũng đề cập tới "cửa sổ dầu" (oil window). Đây là tầm nhiệt độ mà nếu thấp hơn thì dầu không thể hình thành, còn cao hơn thì lại hình thành khí tự nhiên. Dù nó tương thích với những độ sâu khác nhau ở những vị trí khác nhau trên thế giới, một độ sâu 'điển hình' cho cửa sổ dầu có thể là 4-6 km. Cần nhớ rằng dầu cũng có thể rơi vào các bẫy ở độ sâu thấp hơn, thậm chí nếu nó không được hình thành ở đó. Cần có ba điều kiện để hình thành nên bể dầu: có nhiều đá, mạch dẫn dầu xâm nhập, và một bẫy (kín) để tập trung hydrocarbons.

Các phản ứng tạo thành dầu mở và khí tự nhiên thường như những phản ứng phân rã giai đoạn đầu, khi kerogen phân rã thành dầu và khí tự nhiên thông qua nhiều phản ứng song song, và dầu cuối cùng phân rã thành khí tự nhiên thông qua một loạt phản ứng khác.

Người ta sử dụng các dàn khoan để khoan sâu xuống lòng đất và bơm dầu thô lên, thường đi cùng khí đốt thiên nhiên. Một mỏ dầu có thể có nhiều dàn khoan.

Dầu thô cũng là hàng hóa được kinh doanh nhiều nhất trên thế giới.

Hắc ín, còn gọi là dầu hắc, là một chất lỏng nhớt màu đen thu được từ chưng cất có tính phá hủy cấu trúc của các chất hữu cơ. Phần lớn hắc ín thu được từ than như là sản phẩm phụ của việc sản xuất than cốc, nhưng nó cũng có thể được sản xuất từ dầu mỏ, than bùn hay gỗ. Các "mỏ hắc ín" tự nhiên (ví dụ mỏ hắc ín La Brea ở Los Angeles) trên thực tế là nhựa đường (asphalt), chứ không phải hắc ín, và nếu chính xác hơn phải gọi là mỏ nhựa đường. Trong tiếng Anh và tiếng Pháp, "hắc ín" mang nghĩa chủ yếu là các sản phẩm thu được từ than, nhưng ở Bắc Âu, nó chủ yếu là để gọi sản phẩm thu được từ chưng cất gỗ, được sử dụng để tạo mùi cho kẹo (cùng với một số hương liệu khác).

Hắc ín là thành phần quan trọng trong các loại đường được trải nhựa đầu tiên nhất. Nó cũng được sử dụng như là chất gắn cho các ván ốp trần và để xảm thân tàu thủy và thuyền. Nó cũng được sử dụng để chống thấm nước cho thuyền buồm, nhưng ngày nay các loại thuyền buồm được làm từ các chất tổng hợp có khả năng chống thấm nước tự nhiên đã làm mất đi nhu cầu xảm thuyền. Hắc ín, trong đó đáng ngạc nhiên là hắc ín từ dầu mỏ, là một trong các chất hiệu quả nhất được sử dụng trong điều trị bệnh vẩy nến. Hắc ín là một chất tẩy trùng và cũng được sử dụng với công dụng như vậy.

Hắc ín Rangoon là dầu hắc ín tự nhiên thu được ở Rangoon bằng cách đào các giếng sâu khoảng 18 m (60 ft) xuống dưới lòng đất. Các giếng này cung cấp khoảng 412.000 bơrin (khoảng 98 triệu lít) chất lỏng này mỗi năm.

Hắc ín từ gỗ vẫn còn được sử dụng để làm chất xảm các loại thuyền gỗ truyền thống và mái bằng ván ốp của các nhà thờ cũ. Hắc ín gỗ cũng có sẵn ở dạng hòa tan và gọi là nước hắc ín, nó được sử dụng để:

Bitum là một loại chất lỏng hữu cơ có độ nhớt cao, màu đen, nhớp nháp và hòa tan hoàn toàn trong cacbon đisulfua (CS₂). Nhựa đường và hắc ín là hai dạng phổ biến nhất của bitum.

Trong tiếng Anh-Anh, 'bitum' thông thường được sử dụng với cả nghĩa như là 'nhựa đường' và 'hắc ín'. Trong tiếng Anh-Mỹ, 'bitum' chủ yếu được sử dụng như là một thuật ngữ nghề nghiệp để chỉ một cách rõ ràng các vật liệu gốc nhựa đường và gốc hắc ín. Trong tiếng Anh-Úc, 'bitum' được sử dụng như là thuật ngữ gốc cho mặt đường rải nhựa.

Bitum trong dạng nhựa đường thu được từ chưng cất phân đoạn dầu thô. Bitum là phần nặng nhất và được phân đoạn với điểm sôi cao nhất.

Bitum trong dạng hắc ín thu được từ chưng cất phá hủy các chất hữu cơ, thông thường từ than.

Bitum chủ yếu được sử dụng để rải đường. Nó cũng có thể được tinh luyện để trở thành các sản phẩm nhẹ hơn của dầu mỏ, tuy nhiên, phương thức công nghệ với giá thành hợp lý vẫn chưa được tìm ra.

Trong quá khứ, bitum được sử dụng để chống thấm nước cho tàu thuyền cũng như để làm lớp sơn phủ cho các công trình xây dựng; rất có khả năng là thành phố cổ Carthage đã dễ dàng bị cháy do sử dụng quá nhiều bitum trong xây dựng.

Phần lớn các nhà địa chất cho rằng các mỏ trầm tích tự nhiên chứa bitum được tạo ra từ những phần còn lại của các loại vi tảo cổ và các sinh vật khác đã từng tồn tại trên Trái Đất. Các sinh vật này chết đi và phần còn lại của chúng đã bị trầm tích hóa trong bùn ở đáy đại dương hay các hồ mà chúng đã sinh sống. Dưới tác động của nhiệt và áp suất ở độ sâu chúng bị trầm tích hóa thì các phần còn lại của các sinh vật này bị chuyển hóa thành các chất như bitum, dầu mỏ hay kerogen.

Một số ít các nhà địa chất, những người theo thuyết nguồn gốc phi sinh vật của dầu mỏ thì cho rằng bitum và các hydrocacbon nặng hơn mêtan khác có nguồn gốc từ các độ sâu bên trong lớp phủ của Trái Đất thay vì có nguồn gốc từ các mảnh vụn sinh học.

Theo Petroleum Handbook (1966), bitum có thể coi là một hệ chất keo của các phần tử vòng thơm mật độ cao trong dầu với các phân tử dạng vòng. Từ phát biểu này, một điều rõ ràng là bitum có thể coi là một hỗn hợp rất phức tạp chủ yếu của các hydrocacbon có điểm sôi cao. Thành phần của nó dao động theo vị trí địa lý của khu vực chứa dầu mỏ cũng như công nghệ sử dụng trong sản xuất. Nói chung thành phần của bitum chứa khoảng:

Trong khi biểu hiện và ứng dụng của bitum trong nhựa đường và hắc ín là tương tự nhau nhưng vẫn tồn tại các khác biệt cơ bản giữa hai 2 lớp vật liệu này (Puzinauskas & Corbett, 1978). Nhựa đường được tách ra từ dầu mỏ bằng công nghệ mà không có hiện tượng phá vỡ cấu trúc (crackinh) hay biến đổi bởi nhiệt còn hắc ín thu được nhờ cacbon hóa nhiệt độ cao của than chứa bitum. Về thành phần hóa học, hắc ín chủ yếu chứa các hydrocacbon vòng thơm mật độ cao và khác vòng. Ngược lại, nhựa đường chứa nhiều hydrocacbon dạng parafin và naphtha cao phân tử và các dẫn xuất của chúng. Trong các ứng dụng và sử dụng có sự đốt nóng tương đương thì hắc ín sinh ra nhiều hơn đáng kể các hydrocacbon thơm đa vòng so với nhựa đường. Trong các khảo sát dịch tễ học đối với công nhân tham gia vào sản xuất hắc ín người ta phát hiện ra là tỷ lệ mắc bệnh ung thư phổi cao hơn nhưng không thấy sự gia tăng của ung thư hay các ảnh hưởng độc hại khác trong các nghiên cứu đối với công nhân tham gia vào sản xuất và sử dụng nhựa đường.

Hàm lượng benzo(alpha)pyren trong nhựa đường dầu mỏ thu được từ các loại dầu mỏ khác nhau ở Nga được Janyseva và những người khác xác định năm 1963.Họ chứng minh rằng hàm lượng benzo(alpha)pyren trong bitum mạch thẳng đã thấp hơn một cách đáng kể (ở mức 0,6 mg/kg) so với hàm lượng trong bitum thu được từ các cặn bã sau crackinh (ở mức 4-272 mg/kg). Schamp & van Wassenhove (1972) thông báo rằng hàm lượng của benzo(alpha)pyren ở mức 3-5 mg/kg trong bitum.

Bitum tự nhiên và các trầm tích nhựa đường có ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới, chủ yếu là do các dầu khoáng thấm qua lòng đất. Mỏ nhựa đường tự nhiên lớn nhất và nổi tiếng nhất là hồ Trinidad, nó là hỗn hợp của khoảng 39% bitum, 32% khoáng chất khác và 29% nước và khí.

Tổng sản lượng sản xuất bitum trên thế giới năm 1973 khoảng 90 triệu tấn. Năm 1979, sản lượng này đạt mức khoảng 100 triệu tấn và vẫn tiếp tục tăng cho đến nay, mặc dù với tỷ lệ tăng thấp hơn.

Bằng tinh luyện và xử lý thì các loại bitum sau được sản xuất:

Là chất còn lại sau khi chưng cất trong chân không hay không khí các loại dầu mỏ chứa nhựa đường. Đối với các ứng dụng đặc biệt, cặn bitum loại chứa dầu hắc ín rất cứng có thể thu được nhờ chưng cất dầu mỏ đã qua crackinh.

Được sản xuất bằng cách thổi luồng không khí ngược chiều với luồng bitum thẳng nóng chảy. Phản ứng ôxi hóa diễn ra dẫn tới việc khử hiđrô và polyme hóa các thành phần thơm và chưa no. Trong quá trình này, các phân tử vòng thơm cao phân tử lượng có thể được tạo ra.

Thu được bằng cách trộn bitum với các dung môi dầu mỏ hay dầu khoáng, đôi khi với hắc ín hay các chất thơm cao phân tử được chiết ra.

Được tạo ra bằng cách nhũ tương hóa 50-65% bitum trong nước với sự tham gia của 0,5-1,0% chất chuyển thể sữa, thông thường là xà phòng và nói chung được sử dụng ở dạng lạnh cho các mục đích công nghiệp và làm đường

Xăng ête là một nhóm các hiđrôcacbon lỏng dễ cháy và dễ bay hơi, được sử dụng chủ yếu để làm dung môi.

Xăng ête thu được từ chưng cất phân đoạn dầu mỏ như là sản phẩm trung gian giữa xăng naphta nhẹ hơn và dầu hỏa nặng hơn. Nó có khối lượng riêng khoảng 0,7 đến 0,8 khối lượng riêng của nước tùy thuộc vào thành phần của nó.

Xăng ête là hỗn hợp của các alkan, ví dụ như pentan C₅H₁₂, hexan C₆H₁₄ và heptan C₇H₁₆ v.v có nhiệt độ sôi khoảng 60-70 °C (140-160 °F).

Dầu hỏa hay Kêrôsin là hỗn hợp của các hiđrôcacbon lỏng không màu, dễ bắt cháy. Nó thu được từ chưng cất phân đoạn dầu mỏ ở nhiệt độ 150 °C đến 275 °C (các chuỗi cacbon từ C₁₂ đến C₁₅). Đã có thời, nó được sử dụng như nhiên liệu cho các đèn dầu hỏa, hiện nay nó được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho máy bay phản lực (nói một cách kỹ thuật hơn là Avtur, Jet-A, Jet-B, JP-4 hay JP-8). Một dạng của dầu hỏa là RP-1 cháy trong ôxy lỏng, được sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa. Tên gọi kêrôsin có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp keros (κερωσ tức sáp).

Thông thường, dầu hỏa được chưng cất trực tiếp từ dầu thô phải được xử lý tiếp, hoặc là trong các khối Merox hay trong các lò xử lý nước để giảm thành phần của lưu huỳnh cũng như tính ăn mòn của nó. Dầu hỏa cũng có thể được sản xuất bằng crackinh dầu mỏ.

Nó cũng được sử dụng như là nhiên liệu cho các bếp dầu để nấu ăn ở các nước chậm phát triển, thông thường ở đó dầu hỏa không được làm tinh khiết tốt và còn nhiều tạp chất hay thậm chí còn cả những mảnh vụn.

Nhiên liệu máy bay phản lực là dầu hỏa nặng với các thông số nghiêm ngặt hơn, chủ yếu là điểm cháy và điểm đóng băng.

Khí dầu mỏ hóa lỏng hay Khí hóa lỏng(tiếng Anh: Liquefied Petroleum Gas; viết tắt: LPG) là chữ viết tắt của, hoặc LP Gas là “khí dầu mỏ hóa lỏng”. Đây là cách diễn tả chung của propan có công thức hóa học là C₃H₈ và butan có công thức hóa học là C₄H₁₀, cả hai được tồn trữ riêng biệt hoặc chung với nhau như một hỗn hợp. LPG được gọi là khí dầu mỏ hóa lỏng vì các chất khí này có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải, hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ. Trong thành phần của LPG, thông thường, Propan chiếm 50%, Butan chiếm 50%.

Nhựa đường là một chất lỏng hay chất bán rắn có độ nhớt cao và có màu đen, nó có mặt trong phần lớn các loại dầu thô và trong một số trầm tích tự nhiên. Thành phần chủ yếu của nhựa đường là bitum. Vẫn tồn tại một số bất đồng trong số các nhà hóa học liên quan đến cấu trúc của nhựa đường, tuy nhiên phổ biến nhất là nó được giả lập mô hình như là một chất keo, với asphaltenes? như là thể phân tán và maltenes? như là thể liên tục.

Nhựa đường đôi khi bị nhầm lẫn với hắc ín do nó cũng là sản phẩm chứa bitum, nhưng hắc ín là loại vật liệu nhân tạo được sản xuất bằng phương pháp chưng cất phá hủy các chất hữu cơ. Tuy cùng là sản phẩm chứa bitum nhưng thông thường hàm lượng bitum trong hắc ín thấp hơn của nhựa đường. Hắc ín và nhựa đường có các thuộc tính cơ lý rất khác nhau.

Nhựa đường có thể được tách ra từ các thành phần khác của dầu thô (chẳng hạn naphtha, xăng và dầu điêzen) bằng quy trình chưng cất phân đoạn, thông thường dưới các điều kiện chân không. Việc chia tách tốt hơn nữa có thể đạt được bằng cách xử lý tiếp các phần nặng nhất của dầu mỏ trong các khối khử nhựa đường sử dụng prôpan hoặc butan trong pha siêu tới hạn để hòa tan các phân tử nhẹ hơn và sau đó được tách ra. Có thể xử lý tiếp bằng cách "thổi" sản phẩm: cụ thể là bằng cách cho nó phản ứng với ôxy. Phương pháp này làm cho sản phẩm cứng và nhớt hơn.

Các trầm tích tự nhiên chứa nhựa đường bao gồm các hồ nhựa đường (chủ yếu khai thác từ hồ Trinidad ở Trinidad, hồ Bermudez ở Venezuela), gilsonit, biển Chết ở Israel và các loại cát hắc ín.

Nhựa đường là đủ cứng để vận chuyển theo các đống rời (nó chỉ mềm đi khi bị nóng quá) vì thế đôi khi nó được trộn lẫn với dầu điêzenl hay dầu lửa cho dễ vận chuyển. Vào lúc giao hàng, các chất nhẹ hơn này sẽ được tách ra khỏi hỗn hợp. Hỗn hợp này thông thường được gọi là bitum nguyên liệu (BFS).

Ứng dụng lớn nhất của nhựa đường là sản xuất bê tông atphan để rải đường, nó chiếm khoảng 80% toàn bộ lượng nhựa đường thương phẩm được tiêu thụ ở Hoa Kỳ. Việc gắn kết các ván ốp chiếm chủ yếu phần còn lại. Các ứng dụng khác còn có: làm thuốc xịt cho động vật, xử lý cột hàng rào và chống thấm nước cho công trình xây dựng.

Ở Trung Đông cổ đại các trầm tích tự nhiên chứa nhựa đường đã được sử dụng để làm vữa để gắn kết gạch và đá, xảm tàu và chống thấm nước. Từ để chỉ nhựa đường trong tiếng Ba Tư là mumiya, có lẽ là nguồn gốc cho từ "mummy" (xác ướp) trong tiếng Anh.