Твърдостта на водата по същество е мярка за концентрацията на двувалентни катиони (главно Ca²⁺ и Mg²⁺, а също и малки количества Sr²⁺, Ba²⁺ и Fe²⁺).
В химията на водата и инженерното третиране твърдостта се класифицира на временна твърдост и постоянна твърдост. Временната твърдост е концентрацията на калциеви и магнезиеви йони, свързани с бикарбонати (HCO₃⁻) и карбонати (CO₃²⁻) във водата. Тъй като pH на естествената вода обикновено е под 8,3, тя съществува главно под формата на бикарбонати (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO3)₂).
Когато водата се нагрее до над 60-70 градуса, възниква реакция на термично разлагане, утаяване на карбонати:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO3 + CO₂↑ + H₂O (междинен продукт, допълнително хидролизиран до Mg(OH)₂)
Неговата теоретична максимална стойност е ограничена от общата алкалност на водата (главно HCO₃⁻). Когато обща твърдост > обща алкалност, карбонатна твърдост=обща алкалност. Това е основата на изчисленията на водния баланс.
Постоянната твърдост е сол, образувана от комбинацията на калций, магнезий и силни киселинни аниони като сулфат (SO₄²⁻), хлорид (Cl⁻) и нитрат (NO₃⁻) (напр. CaSO₄, MgCl₂).
Тези соли имат висока разтворимост (напр. разтворимостта на CaSO₄ е приблизително 2,1 g/L при 25 градуса) и не произвеждат карбонатни утайки след кипене, оттук и терминът "постоянен". Въпреки това, при висока температура и налягане (като например в котли), тяхната разтворимост се обръща (намалява с повишаване на температурата), образувайки твърда, плътна нагар от калциев сулфат, което е по-вредно.
В международен мащаб mg/L CaCO₃ (изчислен като калциев карбонат) се използва като стандартизирана единица за по-лесно изчисляване и сравнение.
*Указанията на СЗО за качеството на питейната-вода* не определят задължителна граница на твърдостта, но посочват, че идеалният диапазон може да бъде 60-120 mg/L, и подчертават риска от корозия при прекалено ниска твърдост (<30 mg/L).
Китайските *Стандарти за качество на питейната вода* определят граница на твърдост от 450 mg/L (въз основа на сензорни съображения и-използващо оборудване за вода).
Повечето компании за вода в Съединените щати препоръчват твърдост под 150-200 mg/L.
Калциева твърдост срещу магнезиева твърдост
1 mmol/L Ca²⁺ допринася със 100 mg/L като CaCO3, докато 1 mmol/L Mg²⁺ допринася със 122 mg/L като CaCO3. Това означава, че при същата масова концентрация магнезиевите йони допринасят за по-висока моларна твърдост.
Скалата от калциев карбонат (CaCO₃) е плътна и твърда, често срещана в тръбите за гореща вода. Магнезиевият хидроксид (Mg(OH)₂) или магнезиевият силикат е по-рохкав и хлъзгав, но по-стабилен при високи температури.
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 (приблизително 41,5 mg/L като CaCO₃ магнезиева твърдост).
Изследванията показват, че водата с масово съотношение близо до 2:1 (Ca:Mg) може да бъде по-полезна за човешкия минерален метаболизъм и е по-близо до съотношението на естествената високо-качествена минерална вода.