咖啡因

咖啡因（caffeine）又稱咖啡鹼，是一種黃嘌呤生物鹼化合物，具有強的中樞神經興奮作用，也有弱的利尿作用。咖啡具有微弱鹼性，其化學結構是茶鹼的嘌呤環上第七位氮上的氫被取代的嘌呤類生物鹼。

咖啡因主要存在於咖啡樹、茶樹、巴拉圭冬青（瑪黛茶）及瓜拿納的果實及葉片裡，而可可樹、可樂果及代茶冬青樹也存在少量的咖啡因。存在於瓜拿納中的咖啡因有時也被稱為瓜拿納因（guaranine），而存在於瑪黛茶中的被稱為馬黛因（mateine），在茶中的則被稱為茶素（theine）。總體上來說，作為一種自然殺蟲劑，目前在超過60種植物的果實、葉片和種子中發現了咖啡因，它能使以這些植物為食的昆蟲麻痹來達到殺蟲的效果。

咖啡因是一種中樞神經興奮劑，能暫時地驅走睡意並恢復精力，所以人們在從事思考、閱讀、會議等腦力勞動時，有時會選擇攝入咖啡因來提神；健身者和運動員也可能攝入咖啡因以提高表現。有咖啡因成分的咖啡、茶、軟飲料及能量飲料十分暢銷，因此也有一定的成癮性（Coffee addiction），咖啡因也是世界上最普遍被使用的精神藥品。在北美，90%成年人每天都會需要攝食咖啡因。

很多咖啡因的自然來源也含有多種其他的黃嘌呤生物鹼，包括茶鹼和可可鹼這兩種強心劑以及其他物質例如單寧酸。

## 歷史

早在石器時代，人類已經開始使用咖啡因。早期的人們發現咀嚼特定植物的種子、樹皮或樹葉有減輕疲勞和提神的功效。直到很多年以後，人們才發現使用熱水泡這些植物能夠增加咖啡因的效用。許多文化都有關於遠古時期的人們發現這些植物的神話。

在中國，茶的歷史可以追溯到仰韶文化中發現的茶樹。唐代陸羽在《茶經》中提到，茶成為飲料的歷史「發乎神農氏」。西漢時期，茶已經成為宮廷中的飲料。晉代以後，茶逐漸成為普通飲料。

可樂果的使用似乎有相當古老的起源。在很多西非文化中，人們通過單獨或群體地咀嚼可樂果來恢復精力和減輕飢餓感。

使用可可豆的最早的證據，是從公元前8世紀古瑪雅文明的罐中的殘留物發現的。在新世界裡，巧克力被混入一種叫Xocoatl的苦辣飲品之中使用，也常伴有香草、辣椒和胭脂。Xocoatl被廣泛認為能夠抗疲勞，這大概歸功於其中可可鹼和咖啡因成分。巧克力在哥倫布發現美洲大陸以前的中美洲是一種奢侈品，可可豆也曾被用來作為貨幣。

有關喝咖啡的最早的可靠記錄，出現在15世紀中葉阿拉伯南部葉門的蘇菲派修道院中。當地的蘇菲派穆斯林有規律地飲用咖啡來保持祈禱時的清醒。咖啡從摩卡傳播到埃及和北非，到16世紀，它已經傳播到中東其他地區、波斯和土耳其。再從中東傳播到義大利，然後傳播到歐洲其他地區。咖啡樹被荷蘭人運到東印度群島和美洲。

在英國，第一家咖啡屋開業於1652年，位於倫敦康希爾街聖麥可巷。很快咖啡開始在西歐流行並在17和18世紀社會交流中扮演了重要的角色。

巧克力在1700年由西班牙人引進歐洲，他們也將可可樹引入了東印度群島和菲律賓。它們被用於鍊金術，叫做黑豆。

1819年，德國化學家弗里德利布·費迪南德·龍格第一次分離出相對純淨的咖啡因。

1911年，美國政府在田納西州查塔努加市沒收了40大桶和20小桶可口可樂濃縮原漿，並宣稱其「有害健康」後，咖啡因成了最早的關於引起健康恐慌的其中一個記錄。當年3月13日，美國政府開始了「美國起訴40大桶和20小桶可口可樂」案，希望通過誇大的宣傳迫使可口可樂將咖啡因從其配方中移除，比如宣傳在一個女子學校，過多的飲用可口可樂導致「夜間荒誕行為，違背學院規則和女性的禮節，甚至不道德」。儘管最高法院最後做出了有利於可口可樂的裁決，1912年仍然有兩個旨在修正「純天然食品與藥品法案」的議案被提交到眾議院，把咖啡因添加進「上癮」和「有害」物質清單，因此該成份必須在產品標籤中列出。

現在，每年咖啡因的國際銷量已達到120000噸，這個數字相當於每天每個人消耗一份咖啡飲品，這也使它成為了世界最流行的影響精神的物質。在北美，90%的成年人每天會消耗一定量的咖啡因。

## 來源

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常見食品藥品的咖啡因含量

產品｜計量單位｜每單位咖啡因含量（毫克）

咖啡因片劑（Vivarin）｜1片｜200

Excedrin片劑｜1片｜65

咖啡，沖濾｜240 mL （8 US fl oz）｜135*

咖啡，脫咖啡因｜240 mL （8 US fl oz）｜5*

咖啡，意式濃縮咖啡｜57 mL （2 US fl oz）｜100*

巧克力，黑（Hershey's Special Dark）｜1條（43 g; 1.5 oz）｜31

巧克力，牛奶（Hershey Bar）｜1條（43 g; 1.5 oz）｜10

紅牛｜250 mL （8.453 US fl oz）｜80

Bawls瓜拿納｜296 mL （10 US fl oz）｜67

軟飲料，經典可口可樂｜355 mL （12 US fl oz）｜34

茶，綠茶｜240 mL （8 US fl oz）｜15

茶，葉或袋｜240 mL （8 US fl oz）｜50

- 每份中咖啡因含量均為估計，真實值隨著準備的方式不同而不同。

咖啡因是一種植物生物鹼，能在許多植物中發現。作為自然殺蟲劑，它能使啃食含咖啡因植物的昆蟲麻痹。人類最常使用的含咖啡因的植物包括咖啡、茶及一些可可。其他不經常使用的包括一般被用來制茶或能量飲料的巴拉圭冬青和瓜拿納樹。兩個咖啡因的別名：馬黛因和瓜拿納因子就是從這兩種植物演化而來。

世界上最主要的咖啡因來源是咖啡豆（咖啡樹的種子），同時咖啡豆也是咖啡的原料。咖啡中的咖啡因含量極大程度上依賴於咖啡豆的品種和咖啡的製作方法，甚至同一棵樹上的咖啡豆中的咖啡因含量都有很大的區別。一般來說一杯咖啡中咖啡因的含量從阿拉比卡濃縮咖啡中的40毫克到濃咖啡中的100毫克。阿拉比卡咖啡的咖啡因含量通常比中果咖啡低。咖啡也含有少量的茶鹼，但不含可可鹼。

茶是另外一個咖啡因的重要來源，每杯茶的咖啡因含量一般只有每杯咖啡的一半，這與制茶工藝有關。特定品種的茶，例如紅茶和烏龍茶，比其他茶的咖啡因含量高。茶含有少量的可可鹼以及比咖啡略高的茶鹼。茶的製作對於茶有很大影響，但是茶的顏色幾乎不能指示咖啡因的含量。日本玉露綠茶的咖啡因含量就遠遠高於許多紅茶（例如幾乎不含咖啡因的正山小種茶）。

由可可粉製的巧克力也含有少量的咖啡因。巧克力是一種很弱的興奮劑，主要歸功於其中含有的可可鹼和茶鹼。一條典型的28克牛奶巧克力與脫咖啡因咖啡的咖啡因含量差不多。

咖啡因也是軟飲料中的常見成分，例如可樂，最初就是由可樂果製得。一瓶軟飲料中一般含有10毫克至50毫克的咖啡因。能量飲料，例如紅牛，每瓶含有80毫克咖啡因。這些飲料中的咖啡因來源於它們所用的原始成分或由脫咖啡因咖啡所得的添加劑，也有是通過化學合成的。瓜拿納，很多能量飲料的基本成分，含有大量的咖啡因及少量的可可鹼。自然存在的緩釋賦形劑中含有少量茶鹼。

## 藥理學

初服咖啡因，能使中樞神經系統興奮，因此能夠增加警覺度，使人警醒，有快速而清晰的思維，增加注意力和保持較好的身體狀態。最後進入脊髓並保持一個較高的劑量。在體內，關於咖啡因的化學反應十分複雜，大致的幾種機理如下：

在大腦中咖啡因可以阻擋腺嘌呤核苷受體。腺嘌呤核苷與它的受體結合後可以減緩神經細胞的活動。一般在睡眠時兩者結合。咖啡因分子與腺嘌呤核苷類似，可以與同一種受體結合。但它不促使細胞活動降低，相反地，它阻止腺嘌呤核苷與它的受體結合。其結果是神經細胞活動增高，神經細胞分泌激素腎上腺素。腎上腺素導致心跳加快，血壓增高，肌肉中的血流量提高，皮膚和內臟的血流量降低，肝臟向血液釋放葡萄糖。此外咖啡因與氨基丙苯一樣可以提高腦內的神經遞質多巴胺。

### 代謝

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咖啡因在攝取後45分鐘內被胃和小腸完全吸收。吸收後它會分布於身體的所有器官之中，轉化過程符合化學動力學一級反應。

咖啡因的半衰期，即身體轉化所攝取咖啡因的一半量所用的時間，在不同個體之間差異極大。這主要和年齡、肝功能、是否懷孕、同時攝入的其他藥物，以及肝臟中與咖啡因代謝有關的酶的數量等有關。一個健康成人的咖啡因的半衰期大約是3-4個小時，在口服避孕藥物的女性體內則延長至5-10個小時，在已懷孕的女性體內則大概為9-11個小時。當某些個體患有嚴重的肝臟疾病時，咖啡因會累積，半衰期延長至96個小時。嬰兒或兒童的咖啡因的半衰期可能大於成年人，在一個新生嬰兒的體內可能會長至30個小時。某些其它因素也會縮短咖啡因的半衰期，比如吸菸。

咖啡因的代謝在肝臟中發生，由細胞色素P450氧化酶（特別是1A2同工酶）酶系統氧化，形成三種不同的二甲基黃嘌呤，這三種二甲基黃嘌呤對身體有不同的作用。

- 副黃嘌呤（1,7-二甲基黃嘌呤，84%）-能夠加速脂解，導致血漿中的甘油及自由脂肪酸的含量增加。
- 可可鹼（12%）-能夠擴張血管，增加尿量。可可鹼也是可可豆中主要的生物鹼，也存在於巧克力中。
- 茶鹼（4%）-舒緩支氣管平滑肌，被用作治療哮喘。治療所用的劑量遠遠大於由咖啡因代謝所產生的劑量。

這些化合物進一步代謝，最終通過尿液排泄出體外。

## 生理影響

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咖啡因是一個中樞神經系統興奮劑，也是代謝的刺激劑。咖啡因既被作為飲品，也被作為藥品，其作用都是提神及解除疲勞，咖啡因也可減低頭痛時的痛楚。每個人所需要的能夠產生效果的咖啡因精確劑量並不相同，主要取決於體型和咖啡因耐受度。咖啡因在不到一個小時的時間內就可以開始在身體裡發揮作用，如果攝取溫和劑量的咖啡因，作用可在3到4個小時內消失。食用咖啡因並不能減少所需睡眠時間，它只能臨時的減弱睏的感覺。

因為這些影響，咖啡因是機能增進劑：提升大腦和身體的能力。一項在1979年的研究表明，與對照組相比，攝取了咖啡因之後的運動員在長距離自行車項目中的表現增加7%。其他的研究獲得了更加顯著的結果：一個對經過訓練的跑步運動員的實驗表明，在攝取一劑9毫克每千克體重的咖啡因之後，運動員的直線跑耐久性增加44%，環形跑耐久力增加55%。如此顯著的提升並不是孤立的偶然情況，一些後續的研究也得到相似的結果。另外一個研究表明，在攝取了5.5毫克每千克體重咖啡因之後，在自行車項目中，能夠提升29%的持續時間。

咖啡因有時也與其他藥物混合提高它們的功效。咖啡因能夠使減輕頭痛的藥的功效提高40%，並能使身體更快地吸收這些藥品，縮短這些藥品起作用的時間。因此，很多非處方治療頭痛的藥品中包含有咖啡因。咖啡因也與麥角胺一起使用，治療偏頭痛和叢集性頭痛，也能克服由抗組胺劑帶來的困意。

早產兒的呼吸問題，有時也使用檸檬酸咖啡因治療。使用檸檬酸咖啡因療法後，早產嬰兒的支氣管發育不良明顯減少。此療法的唯一缺點是在治療中暫時性的體重增長變慢。檸檬酸咖啡因在很多國家只能通過處方獲得。

目前亦有許多研究顯示，服用含咖啡因飲料有助於緩解憂鬱症病人的情感症狀，但過量使用可能導致情緒亢奮或成癮的現象；故仍需進行個別性的評估後，再決定是否將含咖啡因飲料融入均衡飲食中使用。

### 過量使用

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在長期攝取的情況下，大劑量的咖啡因是一種毒品，能夠導致「咖啡因中毒」。咖啡因中毒包括上癮和一系列的身體與心理的不良反應，比如神經過敏、易怒、焦慮、震顫、肌肉抽搐(反射亢進)、失眠和心悸（一般人服用咖啡因是因為它的刺激作用，許多熬夜讀書應付考試的學生，還有夜班工作的人會攝入咖啡因，如飲茶、咖啡或咖啡因藥丸等。而在嚴格的上癮的定義下，只有逐漸增高用量才是上癮，用咖啡因依賴描述更為恰當一些，但是在一個被廣泛接受的定義下，所有慢性的很難擺脫的行為都叫做上癮，所以也可以用咖啡因上癮來描述。）。另外，由於咖啡因能使胃酸增多，持續的高劑量攝入會導致消化性潰瘍，糜爛性食道炎和胃食管反流病。然而，因為無論是正常的咖啡還是脫咖啡因咖啡，都會刺激胃黏膜，增加胃酸分泌，所以咖啡因可能不是咖啡造成此原因的唯一成分。

#### 咖啡因過度興奮

短時間內過量攝入咖啡因（通常超過250毫克，相當於2-3杯煮咖啡），可以導致中樞神經系統過度興奮。咖啡因過度興奮的症狀包括：煩躁、神經過敏、興奮、失眠、臉紅、尿液增加、胃腸紊亂、肌肉抽搐、思維渙散、心悸或過快以及躁動。

攝取極大劑量的咖啡因會導致死亡。對於實驗鼠，咖啡因的半致死劑量為192毫克每千克體重。咖啡因半數致死量取決於體重和個人敏感程度，大概是150至200毫克每千克體重，大約是一個普通成年人在一個有限的時間內攝取140至180杯咖啡，時間取決於生物半衰期。儘管飲用普通咖啡幾乎不可能致死，但有由於過度服用咖啡因藥丸致死的報告。

#### 咖啡因焦慮症及睡眠失調

長期過量攝取咖啡因會引起一系列精神紊亂。其中兩種被美國精神病學協會驗證的是咖啡因焦慮症和咖啡因睡眠失調。

咖啡因睡眠失調是指由一個個體有規律的攝取高劑量的咖啡因所導致的他或她的睡眠紊亂，並且能被臨床診斷所發現。

對某些個體而言，大劑量的咖啡因所導致的焦慮足夠被臨床診斷發現。咖啡因焦慮症會以不同的形式出現，一般性焦慮失調，恐慌發作，強迫症甚至是恐怖症。因為這些症狀容易與基本神經失調混淆，比如恐慌失調，一般性焦慮失調，躁鬱症或甚至是精神分裂症，所以一些醫務工作者認為部分咖啡因攝入過量的人被誤診並給予了不必要的治療，他們認為咖啡因誘發的精神疾病可以通過切斷咖啡因來源而很簡單的控制。一個由《不列顛上癮期刊》（British Journal of Addiction）所作的調查表明，雖然咖啡因引發的疾病很少被診斷出，咖啡因慢性中毒至少困擾了十分之一的總人口。

### 代謝、毒性與對健康的影響

長期攝入咖啡因可以導致身體產生耐受性，假如這時中斷使用會產生咖啡因戒斷，身體會對腺嘌呤核苷過分靈敏，血壓會過度降低，導致頭疼和其它症狀。

對人類而言，正常攝入的咖啡因是安全的，但是咖啡因對某些動物而言卻是有毒的，例如貓、狗、馬和鸚鵡等，因為這些動物肝臟的分解咖啡因的能力比人類弱很多。咖啡因對蜘蛛有顯著的影響，遠遠高於其他藥物。

#### 骨質流失與骨折風險

目前沒有明確証據指出咖啡因與骨質流失及骨質疏鬆症直接相關。在一項與可樂有關而不包括其他碳酸飲料的研究當中發現咖啡因並不是導致骨質流失的原因，反而是其中磷酸的含量與年長女性出現骨質疏鬆有較直接的關係。

但由於咖啡因會干擾腸道內維生素D受體的表達，從而降低腸道對鈣的吸收效率；且咖啡因具有利尿作用，會短期增加腎臟排泄，導致尿鈣排出量增加；在鈣攝入不足的人群中，過量飲用會加速鈣流失，也可能造成骨質流失。

此外，由於咖啡內含的綠原酸和多酚類物質具有抗炎、抗氧化特性，可能可以抑制破骨細胞，有些薈萃分析甚至得出適量飲用咖啡會有這種「保護作用」，可以抵消咖啡因帶來的少量鈣流失。這種結論與其他文獻結論，在不同劑量下，可能有所衝突，因為目前的研究顯示「過量」咖啡因可能也是危險因子。

## 管制

### 中華人民共和國

用作藥物、純度較高的咖啡因被中華人民共和國政府列為第二類精神藥品管制，其生產、供應必須經過省級衛生行政部門批准，由縣級以上衛生行政部門指定的單位經營。將咖啡因作為毒品濫用和走私、販賣等是違法犯罪行為。醫師處方中的用量不得超過7日常用量，並需存根2年。20世紀80年代開始，山西省民間曾流行以咖啡因製成「片片」（又稱「面面」）服用成癮的嚴重社會問題。

《中華人民共和國刑法》

- 刑法第357條中定義了毒品，將「國家規定管制的其他能夠使人形成癮癖的麻醉藥品和精神藥品」列入毒品範疇，咖啡因即屬於精神藥品名錄中的第二類部分。
- 刑法第347條，非法走私、販賣、運輸、製造毒品，無論數量多少，屬刑事罪行。按刑法第347條及最高人民法院的相關解釋，涉及「數量大」（200公斤咖啡因以上）者最高刑罰為死刑，涉及數量較大（50公斤以上但不滿200公斤咖啡因）者處7年以上有期徒刑。
- 刑法第348條把非法持有「數量大」或「數量較大」的毒品列為可判處監禁的罪行。

2020年，內蒙古包頭市公安局破獲一起跨省販賣咖啡因案件，繳獲咖啡因750公斤，共抓獲13人。同年，在甘肅省敦煌市的一次稽查中，32名山西省呂梁籍大貨車司機因飲用了含有咖啡因的飲品，尿檢結果呈陽性，被認定為「毒駕」，並被迫編造吸食安鈉咖情節的口供。

### 中華民國

中華民國並未將咖啡因列為管制藥物。根據行政院衛生署（今衛生福利部）食物藥品管理局頒佈之《食品添加物使用範圍及限量暨規格標準》，非藥用的咖啡因用途限定於食品添加劑中飲料的調味劑，食材中必須是源自原料的天然成分而不是以純咖啡因添加，規定其含量不得超過320毫克/千克（320ppm），否則視為藥用。

含有咖啡因成分，且有容器或包裝之液態飲料，依行政院衛生署（今衛生福利部）於2007年所公告之《含有咖啡因成分且有容器或包裝之飲料，應於個別產品外包裝標示咖啡因含量》，須在外包裝標示咖啡因含量，並符合下列標示要求：(一)每100毫升所含咖啡因高於或等於20毫克者，其咖啡因含量以每100毫升所含咖啡因之毫克數為標示方式，其標示值之誤差允許範圍，請業者依照廠規確實品管。(二)每100毫升所含咖啡因低於20毫克者，其咖啡因含量以「20mg/100mL以下」標示之。(三)咖啡、茶及可可飲料，每100毫升所含咖啡因等於或低於2毫克者，得以標示「低咖啡因」替代前述「20mg/100mL以下」用語。

現煮咖啡因受咖啡豆種類、沖泡方式不同影響含量，由行政院消費者保護委員會於2006年8月1日則推行咖啡因分級制度，主要針對台灣主要11家連鎖咖啡店的現煮咖啡，包括濃縮咖啡或其他類型，推動按照紅色、黃色、綠色顏色差異標示來提醒消費者每杯咖啡的咖啡因含量。其中紅色為200－300毫克或以上、黃色為100－200毫克、綠色為100毫克以下。這項措施原先不具強制性，但業者多半配合，只是標示方式未必清楚，有些標在菜單上，有些則印製成傳單讓消費者索取（例如星巴克）。但自112年1月1日起，依衛生福利部訂定之《連鎖飲料便利商店及速食業之現場調製飲料標示規定》，要求含有咖啡因成分之現場調製飲料，應標示該杯飲料總咖啡因含量之最高值，並加註「最高值」；或以紅黃綠標示區分總咖啡因含量，該標示得以符號或圖樣標示之。

### 美國

美國法律中，咖啡因不在管制藥物之列，其藥用和食用都是合法的。美國食品藥品監督管理局認為只要飲料中作為食物添加劑的咖啡因含量在每千克200毫克（200ppm）以下，就是安全的。然而，含有咖啡因的食物和藥物都必須在包裝上註明咖啡因的含量。

## 外部連結

- Caffeine: How Stuff Works
- GMD MS Spectrum
- The Consumers Union Report on Licit and Illicit Drugs, Caffeine-Part 1 Part 2
- Caffeine: ChemSub Online
- Caffeine at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- Caffeine International Chemical Safety Cards

## 基本資料

- drug_name：咖啡因、caffeine (INN)
- IUPAC_name：1,3,7-Trimethylpurine-2,6-dione
- IUPAC_name_zh：1,3,7-三甲基嘌呤-2,6-二酮
- pregnancy_AU：A
- pregnancy_US：C
- 合法狀態：Unscheduled
- legal_CA：Unscheduled
- legal_NZ：Unscheduled
- legal_UK：Unscheduled
- legal_US：Unscheduled
- legal_EU：Unscheduled
- legal_UN：Unscheduled
- legal_CN：第二類精神藥品
- 依賴性：生理: 低至中、心理: 低
- 成癮性：低/ 無
- 給藥途徑：口服, 噴霧, 灌腸, 直腸, 靜脈注射
- 藥物代謝：~1 小時
- 生物利用度：99%
- 血漿蛋白結合率：25–36%
- 藥物代謝：主要: CYP1A2、小部分: CYP2E1,CYP3A4,CYP2C8,CYP2C9
- 生物半衰期：成人: 3–7小時、新生兒: 65–130小時
- 排泄途徑：尿液(100%)
- 作用時間：3–4 小時
- 代謝產物：副黃嘌呤 (84%)、可可鹼 (12%)、茶鹼 (4%)
- CAS號：58-08-2
- ATC碼：N06B
- ATC碼：C01
- PubChem：2519
- 藥物銀行資料庫：DB00201
- ChemSpiderID：2424
- UNII：3G6A5W338E
- KEGG：D00528
- ChEBI：27732
- ChEMBL：113
- PDB配體ID：CFF
- IUPHAR_ligand：407
- 異名：Guaranine、Methyltheobromine、1,3,7-Trimethylxanthine、Theine
- C：8
- H：10
- N：4
- O：2
- molecular_weight：194.19 g/mol
- 3D模型（JSmol）：CN1C=NC2=C1C(=O)N(C(=O)N2C)C
- InChI：1/C8H10N4O2/c1-10-4-9-6-5(10)7(13)12(3)8(14)11(6)2/h4H,1-3H3
- InChIKey：RYYVLZVUVIJVGH-UHFFFAOYAW
- StdInChI：1S/C8H10N4O2/c1-10-4-9-6-5(10)7(13)12(3)8(14)11(6)2/h4H,1-3H3
- StdInChIKey：RYYVLZVUVIJVGH-UHFFFAOYSA-N
- 密度：1.23
- 熔點：235
- 熔點：238
- 熔點：(無水)