石油化学（せきゆかがく、石油化学工業）とは、石油、または天然ガスなどを原料として、合成繊維や合成樹脂などを作る化学工業の一分野のことである。生成物が燃料や潤滑用油など、石油精製業に属している場合はここには含まない。
石油化学は石油から化学製品を作り出す化学であるが、具体的にはナフサを用いる。ナフサは低沸点の石油成分であり、そのものは何種類かの炭化水素の混合物である。そのため必要な化合物を得るために幾つかの工程を必要とする。石油化学で用いられる主要な化合物はエチレン、プロピレン、ブチレンなどのオレフィン系炭化水素とベンゼン、トルエン、キシレンの芳香族炭化水素(いわゆるBTX)である。このうち、芳香族炭化水素はもとから含まれているが、エチレンなどのアルケンは含まれていない。これらの化合物はナフサをクラッキングすることで得る。そして、クラッキングをした後に精留することで、様々な化合物を単離するのである。
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単離後はそれぞれの化合物を化学反応することによって必要な化合物を作る。そのうち最も重要なものはエチレンであるので、まずこれについて述べる。エチレンはπ結合を持つ反応性に富んだ化合物で、ポリエチレン、エポキシエタン、エチレングリコール、エタノール、アセトアルデヒド、塩化ビニル、酢酸ビニルなどの原料となる。これらの化合物は高分子の単量体や溶媒などとして用いられる。プロピレンはポリプロピレン、アクリロニトリル、グリセリンなどの材料となる。