石油の成分

炭素鎖に他の炭素鎖（分枝鎖）が結合して樹枝状になっているものは、イソアルカン（分枝状アルカン）と呼ばれます。炭素と水素の数が同じで構造が異なるものは異性体と呼ばれますが、n-アルカンとイソアルカンは異性体の関係になっています。異性体の数は、炭素数が多くなり、例えば炭素数４のブタン（C₄H₁₀）には、n-ブタンと2-メチルプロパン（イソブタン）の２つの異性体しかありませんが、炭素数５のペンタン（C₅H₁₂）には、n-ペンタンと2-メチルブタン（イソペンタン）、2,2-ジメチルプロパンの３つの異性体があります。

アルカン系炭化水素は、ほとんどの原油で多く含まれている炭化水素です。

シクロアルカン

環状アルカンは、炭素鎖が環状構造をとっている炭化水素で、一般式C_nH_2nで表されます（【図１-B】）。シクロアルカン（シクロパラフィン）またはナフテンとも呼ばれています。石油中に含まれるシクロアルカンは、炭素数５のシクロペンタンまたは炭素数６のシクロヘキサンを基本骨格としており、これにアルキル側鎖（直鎖アルカンの分枝鎖）が付いたり、複数の環が結合して多環になっているものもあります。中には、ホパンのように、複数の環が結合した複雑な構造の化合物もあります。

なお、シクロアルカンは、原油の産地によって含まれている量にバラツキが見られます。

【図１】飽和炭化水素の例

「芳香族炭化水素」はベンゼン環を持つ化合物で、一般に芳香性があるため、この名で呼ばれています。ベンゼン環は６個の炭素原子が２重結合と１重結合で交互に結合した環状構造で（【図２】）、これにアルキル側鎖が付いたり複数の環が縮合して多環になっていたりします。芳香族炭化水素は、原油中にはそれほど多く含まれていません。

ベンゼン環を１つしか持たないものとしては、ベンゼン、トルエン、キシレンといった化合物があり、これらの化合物はBTXと呼ばれています。BTXはガソリンの40%以上を占める主要成分で、各種石油化学製品の原料ともなっています。しかし、原油中にはあまり含まれていないため、石油精製の過程でアルカンやシクロアルカンから生成されています。２つまたはそれ以上のベンゼン環を持つ多環芳香族炭化水素は、英語のPolycyclic Aromatic Hydrocarbonsの頭文字をとってPAHと呼ばれています。PAHには、２環のナフタレン、３環のフェナントレンおよびアントラセンなどがありますが、石油中には４環以上の環を持つものも含まれています。PAHには、アルキル基やナフテン環を含むものもあり、複雑な構造をとっているものもあります。PAHは常温・常圧では主に固体で、石油中では他の液体炭化水素に溶解した形で存在しています。

【図２】芳香族炭化水素の例

原油は必ず硫黄化合物を含んでおり、その多くは有機硫黄化合物として存在しています。石油に含まれる有機硫黄化合物には、アルキル鎖にSH基が付いたメルカプタン（チオール）R-SH（Rはアルキル基：C_nH_2n+1）、硫黄原子に２つのアルキル基が付いたサルファイドR-S-R’、環状構造をしたチオフェンやチオフェン環にベンゼン環が結合したベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェンなどがあります（【図３-A】）。無機硫黄化合物としては、硫化水素（H₂S）が主に含まれています。

硫黄化合物は、一般に不快な臭いがし、腐食性が高いため装置を傷める原因にもなります。燃焼すると亜硫酸ガス（SO₂）をはじめとする有害な硫黄酸化物（SOx）となって大気汚染を引き起こします。

窒素化合物

原油中の窒素化合物はすべて環状化合物からなっています。５員環のピロールや６員環のピリジン、これらにベンゼン環が結合したキノリンやインドールといった化合物が含まれています（【図３-B】）。４つのピロール環からなるポルフィリンのように金属をキレートした化合物もあり、硫黄化合物に比べて複雑で構造不明なものも多いです。ピロール環やピリジン環はベンゼン環と似た性質を持っているため、芳香族化合物との分別が難しく、硫黄化合物よりも除去しにくいです。

石油中に窒素化合物が存在すると、時間の経過とともに色相が悪化し、またガム生成の原因にもなるため品質劣化を招きます。また、精製に用いられる触媒を劣化させることもあります。燃焼すると、一酸化窒素（NO）や二酸化窒素（NO₂）などの窒素酸化物（NO_x）となり、光化学スモッグの原因となります。

【図３】石油中の非炭化水素化合物の例

これまで述べてきたとおり、原油には様々な成分が含まれており、その数は数万にも及ぶといわれます。これら多様な成分をすべて同定・定量するのは、まず不可能であり、現実的とはいえません。そのため、原油中の成分はカラムクロマトグラフィーによって分けられる４つの画分で論じられることが多いです。４つの画分は、飽和炭化水素画分、芳香族炭化水素画分、レジン画分、アスファルテン画分と呼ばれ、主に極性の違いによって分けられています。（【図４】）。

飽和炭化水素画分と芳香族炭化水素画分は、（１）で述べた飽和炭化水素と芳香族炭化水素の画分にあたり、炭素と水素のみからなる画分です。レジンとアスファルテンの画分には、炭素と水素のほか、硫黄や窒素、酸素など炭化水素以外の元素を含む化合物が含まれています。

【図４】アスファルトのカラムクロマトグラフィーによる分析

【図５】には、４つの画分と分子量、極性、生分解性の関係を示しました。分子量、極性の小さい飽和炭化水素画分がもっとも分解されやすく、分子量と極性が大きくなるほど分解されにくくなっていきます。もっとも重質な画分であるアスファルテンは、ほとんど生分解が起こらないと考えられています。

【図５】アラビアンライト原油のTLC-FID（薄層クロマトグラフ－水素炎イオン化検出法）のクロマトグラフと分画成分の化学的特性