Twardość wody jest zasadniczo miarą stężenia kationów dwuwartościowych (głównie Ca²⁺ i Mg²⁺, a także niewielkich ilości Sr²⁺, Ba²⁺ i Fe²⁺).
W chemii wody i uzdatnianiu inżynieryjnym twardość dzieli się na twardość tymczasową i twardość trwałą. Twardość przejściowa to stężenie jonów wapnia i magnezu związanych z wodorowęglanami (HCO₃⁻) i węglanami (CO₃²⁻) w wodzie. Ponieważ pH naturalnej wody wynosi zwykle poniżej 8,3, występuje ona głównie w postaci wodorowęglanów (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂).
Gdy woda zostanie podgrzana do temperatury powyżej 60-70 stopni, zachodzi reakcja rozkładu termicznego, w wyniku której wytrącają się węglany:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (produkt pośredni, dalej hydrolizowany do Mg(OH)₂)
Jego teoretyczna maksymalna wartość jest ograniczona całkowitą zasadowością wody (głównie HCO₃⁻). Gdy twardość całkowita > zasadowość całkowita, twardość węglanowa=zasadowość całkowita. Stanowi to podstawę obliczeń bilansu wodnego.
Twardość trwała to sól powstająca w wyniku połączenia anionów wapnia, magnezu i mocnych kwasów, takich jak siarczan (SO₄²⁻), chlorek (Cl⁻) i azotan (NO₃⁻) (np. CaSO₄, MgCl₂).
Sole te mają wysoką rozpuszczalność (np. rozpuszczalność CaS04 wynosi w przybliżeniu 2,1 g/l w temperaturze 25 stopni) i nie powodują wytrącenia się węglanów po gotowaniu, stąd określenie „trwałe”. Jednakże pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia (np. w kotłach) ich rozpuszczalność odwraca się (maleje wraz ze wzrostem temperatury), tworząc twardą, gęstą warstwę siarczanu wapnia, która jest bardziej szkodliwa.
Na arenie międzynarodowej jako znormalizowaną jednostkę dla ułatwienia obliczeń i porównań stosuje się mg/l CaCO₃ (w przeliczeniu na węglan wapnia).
Wytyczne WHO dotyczące *Wytycznych dotyczących-jakości wody pitnej* nie określają obowiązkowego limitu twardości, ale wskazują, że idealny zakres może wynosić 60–120 mg/l, i podkreślają ryzyko korozji w przypadku zbyt niskiej twardości (<30 mg/L).
Chińskie *Normy dotyczące jakości wody pitnej* określają limit twardości na poziomie 450 mg/l (w oparciu o względy sensoryczne i-używanie wody przez sprzęt).
Większość firm wodociągowych w Stanach Zjednoczonych zaleca twardość poniżej 150-200 mg/l.
Twardość wapniowa a twardość magnezowa
1 mmol/l Ca²⁺ dostarcza 100 mg/l jako CaCO₃, podczas gdy 1 mmol/l Mg²⁺ dostarcza 122 mg/l jako CaCO₃. Oznacza to, że przy tym samym stężeniu masowym jony magnezu przyczyniają się do wyższej twardości molowej.
Kamień węglanu wapnia (CaCO₃) jest gęsty i twardy i powszechnie występuje w rurach z ciepłą wodą. Wodorotlenek magnezu (Mg(OH)₂) lub kamień krzemianu magnezu jest luźniejszy i śliski, ale bardziej stabilny w wysokich temperaturach.
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 (około 41,5 mg/L jako twardość CaCO₃ magnezu).
Badania wskazują, że woda o stosunku masowym bliskim 2:1 (Ca:Mg) może być bardziej korzystna dla metabolizmu minerałów u człowieka i jest bliższa naturalnej wodzie mineralnej wysokiej-jakości.
