第三章 化合物
第三章 化合物
學習目標
觀察原子核周圍電子的排列，描述原子的波爾模型及量
子力學模型之差異性。
2. 定義價電子及描述電子點結構。
3. 定義離子及解釋典型元素原子（ IA 族一 VIIIA 族）的電
子點結構，可用來預測其形成單原子離子的電荷數。
4. 描述單原子及多原子陽離子與陰離子的命名。
5. 解釋離子鍵和共價鍵的差異。
6. 簡單離子化合物及二元分子的命名及其化學式的書寫。
7. 定義式量及分子量，並利用這些數值與莫耳數及質量做
單位轉換。
1.
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第三章 化合物
3.1 離子
ƒ 一原子或一原子基團得到或失去電子後會形成離子 (ion)。
離子的質子數和電子數不相等。例如：鋰 (Li) 失去一個電
子，則會形成帶1+ 電荷的離子 (Li) (圖3.1a)，此即單原子
離子 (monoatomic ion)。
ƒ 帶正電的離子稱為陽離子 (cations)。如Li+、Ca2+、Al3+。
ƒ 過渡金屬 (IB族 ~ VIIIB族)可形成多種不同的陽離子。如鐵
離子Fe2+與Fe3+。
ƒ 過渡金屬離子的命名系統中，若其離子名稱字尾為ous表示
電荷數值較小者，名稱字尾為ic則表示電荷數值是較大者
(表3.1)。例如：Fe2+(ferrous ion)，Fe3+(ferric ion)。
Cu+( cuprous ion)，Cu2+ (cupric ion)。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
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第三章 化合物
ƒ 原子獲得電子，形成帶負電荷的離子稱為陰離子
(anions)。當氟原子得到一個電子，形成1-電荷氟
離子 (F-)。單原子陰離子的命名，是將最後元素名
稱的字尾部分改為ide，如fluorine，其陰離子名稱
fluoride ion(圖3.1b)。
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第三章 化合物
ƒ 多原子離子 (polyatomic ions) 包含2個或更多個原
子，如銨離子 (NH4+ ) 及碳酸根離子 (CO32-)。
ƒ 多原子離子的電荷是由於所有元素之總質子數和
總電子數不平衡的結果。
ƒ 字尾為ate及ite是表示在其相對離子中，其氧原子
的相對數目。如：硝酸根離子 (NO3-，Nitrate ion)
比亞硝酸根離子 (NO2-，nitrite ion) 多一個氧原
子。硫酸根離子 (SO42-，sulfate ion) 比亞硫酸根離
子 (SO32-，sulfite ion) 多一個氧原子。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
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第三章 化合物
3.2 電子的排列
ƒ 早期嘗試描述原子內電子排列情形的波爾模型
(Bohr model)。
ƒ 當電流通過一含有氫氣(H2)的管子，氫原子會發射
光，接著被稜鏡分光，得到一系列具色彩線的放
射光譜 (圖3.2)。
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第三章 化合物
ƒ 丹麥物理學家波爾 (Niels Bohr) 提出氫原子放射光
譜的有色光是與氫原子的電子在不同能階上的移
動有直接關係。
ƒ 波爾原子模型認為原子中的電子在特定軌道圍繞
原子核運行，每一軌道對應一個不同的能階 (圖
3.3)。電子位於最靠近原子核的能階，稱為基態
(ground state) (最穩定的電子排列)。
ƒ 氫原子的基態僅有一個電子位於最靠近原子核的
能階1 (n=1)。若一基態氫原子吸收能量後，可將
其電子推至離原子核較遠的軌道，致使該原子處
於一個激發狀態 (excited state)。
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第三章 化合物
ƒ 氫原子的電子由各種激發態移至較穩定的狀態，
過程中釋出能量而產生放射光譜。此能量是以電
磁波方式被釋出。由能階2(即n=2)轉回基態 (2→1)
或其他能階的轉移(如：3→1，4→1)，會釋出高能
量的紫外光。
ƒ 當電子移至能階2 (如：3→2，4→2)，造成可見光
頻率被釋放出來 (圖3.3)。
ƒ 不同顏色的可見光具有不同能量，其範圍由紫光
(最高能量) 至紅光 (最低能量)。其他的轉移 (如：
4→3，6→4) 則釋出較低能量的紅外光。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
ƒ 波爾模型對氫的放射光譜雖具合理解釋，卻無法
解釋其他的元素。
ƒ 在某既定實驗條件下，電子似能量般地顯示波的
行為而不是粒子。
ƒ 1926年，奧地利的物理學家薛丁格 (Erwin
Schrödinger) 利用電子似波的性質，發明一個數學
方程式，以新的方式來描述電子的能階。此一新
的處理方式稱為量子力學 (quantum mechanics)，
可探究原子具有一系列能階。
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第三章 化合物
ƒ 量子力學指出電子是位於原子核周圍具三度空間
的各種不同原子軌域 (atomic orbitals) 中。這些軌
域即為電子雲。這些原子軌域的例子包括s及p軌
域 (圖3.4)。
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第三章 化合物
每一能階的最大電子數 ＝ 2n2 這裡n為能階數，例如第
2能階 (n=2) 最多可容納8(2×22＝8)個電子。表3.3顯示由
能階1至4的每一能階所能容納的最大電子數。
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第三章 化合物
ƒ 氦原子在能階上有一個電子，在 n=1能階上也有1
個電子，即稱此為激態。鋰原子則在 n=1 能階上
有2個電子，在 n=2 能階上有1個電子，即稱此為
基態(圖3.5)。
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第三章 化合物
ƒ 鉀原子(K)在 n=4
能階上有1個電
子，在 n=3 能階
上只佔有所允許18
個電子中的8個電
子。因為當一原子
的能階上具有8個
電子是特別地穩
定。
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第三章 化合物
價電子
ƒ 注意：同族的元素在它們的價殼 (valence shell) 中
(電子所佔據的最高能階) 具有相同的電子數。例
如：IA族中所有原子的價殼均含有一個價殼電子
或稱價電子 (valence electron)。
ƒ 典型元素之原子的價電子數有其週期性 (圖3.6)。
但VIIIA族的鈍氣有一個例外，即氦原子僅有2個
價電子。
ƒ 週期表中的週期與能階之間亦存在一個相關性。
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第三章 化合物
電子點結構
ƒ 美國化學家路易士 (Gilbert N. Lewis) 發展出以電
子點結構 (electron dot structures) 以表示一個原子
所攜帶的價電子數。在結構中以點 (dots) 表示價電
子。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
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生物化學聯結：生物冷光
ƒ 由生物體所產生的冷光
(luminescense)稱為生物冷
光。許多細菌、海綿體、
水母、蛤蜊、昆蟲及魚類
均具有生物冷光。琵琶魚
居住在深海裡，利用其生
物冷光的附屬肢來誘食 (圖
3.7)。
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第三章 化合物
生物化學聯結：生物冷光
第三章 化合物
ƒ 用以產生光的有機體物質，稱為發光素
(Luciferin)。
ƒ 生物冷光的發生：是當發光素被一特殊的酵素，
在氧氣及ATP (三磷酸腺) 存在下加以催化時，發
光素會被推至激態，且當其分子回到基態時，光
即被放射出來。
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第三章 化合物
3.3 八隅體規則
ƒ 元素氦 (He)、氖 (Ne)、氬 (Ar)、氪 (Kr)、氙 (Xe)
和氡 (Rn) 是屬於鈍氣族。
ƒ 依照八隅體規則 (octet rule)，原子獲得、失去或
共用價電子，最後均應滿足8個價電子。如此就能
像鈍氣一樣具有穩定的電子排列。
ƒ F- 和Na+具有與氖原子相同的電子排列(等電子的
(isoelectronic)) (如圖3.8)。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
單原子離子
ƒ 使用電子點結構來預測某一特定原子所形成的離子。例
如，中性氟原子的電子點結構，有7個價電子，得到一個電
子後會形成具有八隅體且帶1- 電荷的氟離子。
ƒ 氧和其他VIA族的非金屬原子 (如硫、硒) 會形成帶2-電荷
的單原子離子，當其為中性原子時，均具有6個價電子，必
須得到2個電子，以形成八隅體。
ƒ VA族的非金屬原子如氮及磷均有5個價電子，且需得到3個
價電子達到八隅體後，形成帶3-電荷的離子。
ƒ 具有4個價電子的碳，可被預期得到4個價電子而形成八隅
體。
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第三章 化合物
ƒ 鈉原子的電子點結構有1個價電子。當此價電子被
移除並形成鈉離子時，其陽離子的電子點結構，
因其周圍沒有電子，故可寫成Na+。鈉離子的電子
點結構將不會有任何電子點，其原先的價殼層已
經是空的。
ƒ 鹼土金屬(2個價電子)與IIIA族金屬原子(3個價電子)
則分別形成具有2+與3+電荷的陽離子。
ƒ 利用八隅體規則和電子點結構可預測原子形成離
子後所帶的電荷，但不適用於過渡金屬，因大部
分的過渡金屬原子將不會因失去電子而形成八隅
體。
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第三章 化合物
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生物化學聯結：離子載體與
生物離子輸送
ƒ 細胞內之離子 (在細胞內液
中) 與細胞外之離子 (在血
漿中) 不同量的維持，主要
是由細胞膜來控制離子的
進出 (圖3.9)。
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第三章 化合物
生物化學聯結：離子載體與
生物離子輸送
第三章 化合物
ƒ 離子載體 (ionophores) 的工作是輸送離子通過細胞膜。鏈
黴菌 (streptomyces) 製造纈胺黴素 (valinomycin)。纈胺黴素
是甜甜圈形的離子載體，其中心大小恰可抓住鉀離子 (K)
(圖 3.10)。
ƒ 纈胺黴素與其他離子載體可做為抗生素 (殺菌藥物)，藉由
所輸送的離子穿過細菌的細胞膜，攪亂離子平衡及瓦解關
鍵性的生物流程，以達到殺菌效果。
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第三章 化合物
3.4 離子化合物
ƒ 化合物不是一種隨意的混合物，每一化合物皆有
同樣元素的相同比例。例如：食鹽的鈉原子數與
氯原子數相等，而水分子是由二個氫原子與一個
氧原子所構成(圖3.11)。
ƒ 當某一元素或化合物的原子結合而形成新的化合
物時，則發生化學變化 (chemical change)。例如：
鐵生鏽 (圖3.12) 的反應。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
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第三章 化合物
ƒ 陽離子(cation，帶正電荷離子)和陰離子(anion，帶
負電荷離子)可組成化合物。例如，氯化鈉包含鈉
離子 (Na+)和氯離子 (Cl-)，Na+與Cl- 的相反電荷提
供離子鍵 (ionic bond) (是一種吸引力) 的形成，使
氯化鈉分子緊密結合。
ƒ 圖3.13所示之氯化鈉結構是由陽離子與陰離子的交
互作用組合而成的晶格 (crystal lattice)，在此晶格
中，每一離子均被相反電荷的其他離子所包圍。
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第三章 化合物
ƒ 離子化合物的化學式是列
出化合物中所含每種離子
的相對個數，陽離子寫在
前，陰離子在後。氯化鈉
的化學式是NaCl，包含相
同數目的Na+ 與Cl- 離子。
氯化鎂 (MgCl2) 是二元離
子化合物，具有2個Cl- 對
應1個Mg2+。
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第三章 化合物
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多原子離子的離子化合物
第三章 化合物
ƒ 多原子離子亦可形成離子化合物。例如做為食品防腐劑的
亞硫酸鈉 (Na2SO3)，是鈉離子 (Na+) 與亞硫酸根離子 (SO32-)
的組合。
ƒ 當離子化合物包含多原子離子時，其化學式寫法必須將所
涉及的多原子離子部分視為一體，這一點是很重要的。例
如：氫氧化鎂 [Mg(OH)2] 包含鎂離子 (Mg2+) 及氫氧根離子
(OH-)，碳酸銨 [(NH4)2CO3] 包含銨離子 (NH4+) 及碳酸根離
子 (CO32-)。
ƒ 離子化合物的命名當命名離子化合物時，陽離子英文名稱
放在陰離子英文名稱之前。鋰離子 (Li+) 與溴離子 (Br-) 結
合形成lithium bromide (溴化鋰，LiBr)。
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第三章 化合物
ƒ 離子化合物的化學式上，離子出現的次數
不必標示於其名稱上，故BaCl2稱為barium
chloride (氯化鋇)，而不是barium dichloride
(二氯化鋇)。
ƒ 當離子化合物含有過渡金屬時，可用相同
方式加以命名 (如圖3.14)。CuCl是由亞銅
離子 (Cu+) 及氯離子 (Cl-) 所組成，稱為氯
化亞銅 (copper (I) chloride)，而 CuCl2 則稱
為氯化銅 (copper (II) chloride)。
ƒ copper (I) chloride及copper (II) chloride的名
稱分別如所熟知的cuprous chloride及
Cupric chloride (表3.1)。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
3.5 共價鍵
ƒ 為合乎八隅體，金屬以失去電子 (Na變成Na+) 而
非金屬則以獲得電子 (Cl變成Cl-) 來達成。
ƒ 非金屬有另一方式可獲得八隅體──即價電子的
共用。例如，分別各擁有7個價電子的兩個氟 (F)
原子相互靠近到一個適當的距離時，將共用一對
電子，最後每一原子均滿足八隅體的規則。這一
對被共用的電子稱之為共價鍵 (covalent bond)。
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第三章 化合物
ƒ 非金屬原子形成共價鍵的數目，與該非金屬原子達成八隅
體所需獲得的電子數是相同的。具有7個價電子的氟原子可
形成一個共價鍵，因為額外一個電子的獲得是藉由共用所
致，以完成八隅體。
ƒ 第二週期元素的原子，即氧 (O：6個價電子)、氮 (N：5個
價電子) 與碳 (C：4個價電子) 則分別具有二、三與四個共
價鍵。
ƒ 圖3.15a是電子點結構，其中以點 (dots) 表示價電子，另一
種方式稱為線-鍵式 (line-bond method) (圖3.15b)，每一對
的被共用鍵結電子對係以一線段表示，圖中未涉及鍵結的
價電子稱為未鍵結電子對 (nonbonding electrons)。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
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第三章 化合物
3.6 分子
ƒ 原子間以單鍵 (單一共價鍵) 連結，其間的一對電子是被兩
個原子所共用。但此並非唯一已知的共價鍵結形式。
ƒ 在正常情況下──兩個原子可共用高達三對的電子，若共
用兩對電子，則原子間含有一個雙鍵 (double bond)，故共
用三對電子，原子間涉及一個參鍵 (triple bond)。
ƒ 氧原子需要得到2個電子以獲得八隅體，故氧 (O) 原子應該
會形成2個單鍵或1個雙鍵。
ƒ 碳原子需得到4個電子以獲得八隅體並具許多可能的鍵結方
式，碳原子可形成四個單鍵，二個雙鍵或是單鍵、雙鍵及
參鍵的各種組合，只要化學鍵的總數是4即可 (圖3.16)。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
二元分子的命名
ƒ 二元分子的命名係依分子式上所列出之元素出現
的順序來命名，並將第二個元素名稱的字尾改為
ide。例如：HF的名稱是hydrogen fluoride。
ƒ 命名離子化合物時，每種離子的數目不必標示出
(如CaCl2 的名稱是 calcium chloride 而不是calcium
dichloride)。
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第三章 化合物
ƒ 原子有時以不同的方式相互結合。碳與氧原子能
鍵結形成兩種不同的分子，即CO與CO2。需於該
原子名稱的字首標示出該原子出現的數目：CO命
名為carbon monoxide (一氧化碳) 而CO2 稱為carbon
dioxide (二氧化碳)。
ƒ H2O (稱為水：water；而不是氧化二氫：
dihydrogen oxide) 而 H2S (稱為硫化氫：hydrogen
sulfide；而不是硫化二氫：dihydrogen sulfide)。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
3.7 式量與分子量
ƒ 原子量係指自然存在之某元素原子的平均質量。
ƒ 處理離子化合物時，應知其式量 (formula
weight)，它是分子式中所有元素原子量的總和。
氯化鈉 (NaCl) 其式量為58.5 amu。
ƒ 離子化合物的式量 (以amu為單位) 相當於此離子
化合物1莫耳的質量 (以g為單位)，故式量可當作
某一特定離子化合物的莫耳數及其質量之間的轉
換。例如，硝酸銅 (Cu(NO3)2) 的式量為187.5
amu，所以1莫耳硝酸銅的質量為187.5 g。
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第三章 化合物
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第三章 化合物
分子量
ƒ 分子有其分子量 (molecular weight)，此即化學式
中所有元素之原子量的總和。水 (H2O) 的分子量
是18.0 amu，丙烷 (C3H8)，其分子量是44.0克。
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第三章 化合物
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生物化學聯結：乙烯，植物
賀爾蒙
第三章 化合物
ƒ 乙烯是刺激水果成熟的植物賀爾蒙。
ƒ 放在塑膠袋中的蕃茄成熟的比較快，原因是蕃茄會產生少
量乙烯氣體，但乙烯無法逃離塑膠袋，使得塑膠袋內的蕃
茄暴露在較高濃度的此賀爾蒙中，導致成熟較快。
ƒ 氟化物的利用，是因為F-具有覆蓋在牙齒琺瑯質上的效
應，琺瑯質是由大部分為礦物質或稱之為羥基磷灰石
(hydroxyapatite) 的離子化合物所組成，其分子式為
Ca5(OH)(PO4)3。
ƒ 當羥基磷灰石被口中細菌所產生的酸溶解時，蛀牙開始形
成。牙齒琺瑯質可被F-加以強化，因為F-會將羥基磷灰石
轉變成較堅固的氟磷灰石 (fluoroapatite)，即
Ca5(F)(PO4)3 。
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第三章 化合物
三聚氰氨－C3H6N6
ƒ 俗稱密胺、蛋白精
ƒ 是一種三嗪類含氮雜環有機化合
物，被用作化工原料
ƒ 白色單斜晶體，幾乎無味，微溶
於水
ƒ 三聚氰胺是氨基腈的三聚體，由
它製成的樹脂加熱分解時會釋放
出大量氮氣，因此可用作阻燃
劑。
6 (NH2)2CO → C3H6N6 + 6 NH3 + 3 CO2
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第三章 化合物
三聚氰氨－C3H6N6
ƒ 三聚氰胺是製造三聚氰胺-甲醛樹脂（密胺塑料）
的原料。該樹脂有時也被俗稱為三聚氰胺，常用
於製造日用器皿、裝飾貼面板、織物整理劑等。
ƒ 這類器皿的物理性質非常類似陶瓷，堅硬不變形
但又不像陶瓷那樣易碎。
ƒ 常常標有「不可以在微波爐中使用」的警示，因
為三聚氰胺-甲醛樹脂（即密胺塑料）受熱後有可
能散發毒性。
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第三章 化合物
ƒ 食品工業中常常需要測定食品的蛋白質含量，由於直接測
量蛋白質技術上比較複雜，所以常用一種叫做凱氏定氮法
的方法，通過測定氮原子的含量來間接推算食品中蛋白質
的含量。由於三聚氰胺（含氮量66%)與蛋白質（平均含氮
量16%）相比含有更高比例的氮原子，所以在下文中的一
些事件中被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋
白質含量較高的假象，從而造成嚴重的食物安全事故。
ƒ 攝入人體後由于胃酸的作用三聚氰胺和三聚氰酸相互解離
並被分別通過小腸吸收進入血液循環並最終進入腎臟。在
腎細胞中兩者再次結合沉積從而形成腎結石，堵塞腎小
管，最終造成腎衰竭。
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