Tvrdoća vode je u suštini mjera koncentracije dvovalentnih katjona (uglavnom Ca²⁺ i Mg²⁺, a uključuje i male količine Sr²⁺, Ba²⁺ i Fe²⁺).
U hemiji vode i inženjerskom tretmanu, tvrdoća se klasificira na privremenu tvrdoću i trajnu tvrdoću. Privremena tvrdoća je koncentracija jona kalcija i magnezija vezanih za bikarbonate (HCO₃⁻) i karbonate (CO₃²⁻) u vodi. Pošto je pH prirodne vode obično ispod 8,3, ona uglavnom postoji u obliku bikarbonata (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂).
Kada se voda zagrije na temperaturu iznad 60-70 stepeni, dolazi do reakcije termičke razgradnje, taloženja karbonata:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (međuproizvod, dalje hidroliziran u Mg(OH)₂)
Njegova teoretska maksimalna vrijednost ograničena je ukupnom alkalnošću vode (uglavnom HCO₃⁻). Kada je ukupna tvrdoća > ukupna alkalnost, karbonatna tvrdoća=ukupna alkalnost. Ovo je srž proračuna vodnog bilansa.
Trajna tvrdoća je so nastala kombinacijom kalcijuma, magnezijuma i jakih kiselinskih anjona kao što su sulfat (SO₄²⁻), hlorid (Cl⁻) i nitrat (NO₃⁻) (npr. CaSO₄, MgCl₂).
Ove soli imaju visoku rastvorljivost (npr. rastvorljivost CaSO₄ je približno 2,1 g/L na 25 stepeni), i ne proizvode karbonatne taloge nakon ključanja, otuda i termin "trajni". Međutim, pod visokom temperaturom i pritiskom (kao što je u kotlovima), njihova se rastvorljivost obrće (smanjuje se sa povećanjem temperature), formirajući tvrdu, gustu kamenac kalcijum sulfata, što je štetnije.
Na međunarodnom nivou, mg/L CaCO₃ (izračunato kao kalcijum karbonat) se koristi kao standardizovana jedinica radi lakšeg izračunavanja i poređenja.
SZO-ove *Smjernice za{0}}kvalitet vode za piće* ne postavljaju obaveznu granicu tvrdoće, ali ukazuje da idealni raspon može biti 60-120 mg/L, i naglašava rizik od korozije pretjerano niske tvrdoće (<30 mg/L).
Kineski *standardi za kvalitet vode za piće* predviđaju granicu tvrdoće od 450 mg/L (na osnovu senzornih razmatranja i vode{1}}koje se koristi oprema).
Većina kompanija za vodu u Sjedinjenim Državama preporučuje tvrdoću ispod 150-200 mg/L.
Tvrdoća kalcija u odnosu na tvrdoću magnezija
1 mmol/L Ca²⁺ daje 100 mg/L kao CaCO₃, dok 1 mmol/L Mg²⁺ doprinosi 122 mg/L kao CaCO₃. To znači da pri istoj koncentraciji mase, joni magnezija doprinose većoj molarnoj tvrdoći.
Kamenac kalcijum karbonata (CaCO₃) je gusta i tvrda, obično se nalazi u cijevima za toplu vodu. Magnezijum hidroksid (Mg(OH)₂) ili magnezijum silikat je labaviji i klizav, ali stabilniji na visokim temperaturama.
Magnesium is an essential element for the human body. Studies have shown a negative correlation between magnesium content in drinking water and cardiovascular disease mortality. The World Health Organization recommends that the magnesium content in drinking water should be >10 mg/L (približno 41,5 mg/L kao CaCO₃ tvrdoća magnezijuma).
Istraživanja pokazuju da voda s masenim omjerom blizu 2:1 (Ca:Mg) može biti korisnija za ljudski metabolizam minerala i bliža je omjeru prirodne mineralne vode visokog{2}}kvaliteta.
