Tvrdoća vode u biti je mjera koncentracije dvovalentnih kationa (uglavnom Ca²⁺ i Mg²⁺, a također uključuje male količine Sr²⁺, Ba²⁺ i Fe²⁺).
U kemiji vode i tehničkoj obradi, tvrdoća se dijeli na privremenu tvrdoću i trajnu tvrdoću. Privremena tvrdoća je koncentracija iona kalcija i magnezija vezanih za bikarbonate (HCO₃⁻) i karbonate (CO₃²⁻) u vodi. Budući da je pH prirodne vode obično ispod 8,3, ona uglavnom postoji u obliku bikarbonata (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO3)₂).
Kada se voda zagrije iznad 60-70 stupnjeva, dolazi do reakcije toplinske razgradnje, taloženja karbonata:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO3 + CO₂↑ + H₂O (međuprodukt, dalje hidroliziran u Mg(OH)₂)
Njegova teoretska najveća vrijednost ograničena je ukupnom alkalnošću vode (uglavnom HCO₃⁻). Kada je ukupna tvrdoća > ukupna alkalnost, karbonatna tvrdoća=ukupna alkalnost. Ovo je srž izračuna bilance vode.
Trajna tvrdoća je sol nastala kombinacijom kalcija, magnezija i jakih kiselih aniona kao što su sulfat (SO₄²⁻), klorid (Cl⁻) i nitrat (NO₃⁻) (npr. CaSO₄, MgCl₂).
Ove soli imaju visoku topljivost (npr. topljivost CaSO₄ je približno 2,1 g/L na 25 stupnjeva) i ne stvaraju karbonatne taloge nakon vrenja, otuda izraz "trajni". Međutim, pod visokom temperaturom i pritiskom (kao što je u kotlovima), njihova topljivost se preokreće (opada s povećanjem temperature), stvarajući tvrdu, gustu vagu kalcijevog sulfata, koja je još štetnija.
Na međunarodnoj razini, mg/L CaCO₃ (izračunato kao kalcijev karbonat) koristi se kao standardizirana jedinica radi lakšeg izračuna i usporedbe.
SZO *Smjernice za-kvalitetu pitke vode* ne postavljaju obaveznu granicu tvrdoće, ali pokazuju da idealni raspon može biti 60-120 mg/L i naglašavaju rizik od korozije preniske tvrdoće (<30 mg/L).
Kineski *Standardi za kvalitetu pitke vode* propisuju ograničenje tvrdoće od 450 mg/L (na temelju senzorskih razmatranja i opreme-koja koristi vodu).
Većina tvrtki za vodu u Sjedinjenim Državama preporučuje tvrdoću ispod 150-200 mg/L.
Tvrdoća kalcija u odnosu na tvrdoću magnezija
1 mmol/L Ca²⁺ doprinosi 100 mg/L kao CaCO3, dok 1 mmol/L Mg²⁺ doprinosi 122 mg/L kao CaCO3. To znači da pri istoj masenoj koncentraciji ioni magnezija doprinose većoj molarnoj tvrdoći.
Kamenac kalcijevog karbonata (CaCO₃) je gust i tvrd, često se nalazi u cijevima za toplu vodu. Magnezijev hidroksid (Mg(OH)₂) ili magnezijev silikat je rahliji i skliskiji, 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 magnezijeva tvrdoća).
Istraživanja pokazuju da voda s masenim omjerom blizu 2:1 (Ca:Mg) može biti korisnija za ljudski metabolizam minerala i bliža je omjeru prirodne visoko-kvalitetne mineralne vode.