Жорсткість води, по суті, є мірою концентрації двовалентних катіонів (переважно Ca²⁺ і Mg²⁺, а також невеликі кількості Sr²⁺, Ba²⁺ і Fe²⁺).
У хімії води та техніці твердість класифікується на тимчасову жорсткість і постійну жорсткість. Тимчасова жорсткість — це концентрація іонів кальцію та магнію, зв’язаних із бікарбонатами (HCO₃⁻) і карбонатами (CO3²⁻) у воді. Оскільки pH природної води зазвичай нижче 8,3, вона в основному існує у формі бікарбонатів (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO3)₂).
Коли вода нагрівається вище 60-70 градусів, відбувається реакція термічного розкладання з випаданням карбонатів:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (проміжний продукт, подальший гідроліз до Mg(OH)₂)
Його теоретичне максимальне значення обмежене загальною лужністю води (переважно HCO₃⁻). Коли загальна жорсткість > загальна лужність, карбонатна жорсткість=загальна лужність. Це основа розрахунків водного балансу.
Постійна жорсткість – це сіль, утворена комбінацією аніонів кальцію, магнію та сильних кислот, таких як сульфат (SO₄²⁻), хлорид (Cl⁻) і нітрат (NO₃⁻) (наприклад, CaSO₄, MgCl₂).
Ці солі мають високу розчинність (наприклад, розчинність CaSO₄ становить приблизно 2,1 г/л при 25 градусах) і не утворюють карбонатних опадів після кип’ятіння, звідси термін «постійний». Однак під високою температурою та тиском (наприклад, у котлах) їх розчинність змінюється (з підвищенням температури зменшується), утворюючи твердий щільний наліт сульфату кальцію, який є більш шкідливим.
У міжнародному масштабі мг/л CaCO₃ (розрахований як карбонат кальцію) використовується як стандартизована одиниця для полегшення розрахунків і порівняння.
У *Рекомендаціях щодо якості питної{0}}води* ВООЗ не встановлюється обов’язкова межа жорсткості, але вказується, що ідеальний діапазон може становити 60-120 мг/л, і наголошується на ризику корозії через надто низьку жорсткість (<30 mg/L).
Китайські *Стандарти якості питної води* передбачають обмеження жорсткості 450 мг/л (на основі сенсорних міркувань і водо-використання обладнання).
Більшість водопровідних компаній у Сполучених Штатах рекомендують жорсткість нижче 150-200 мг/л.
Кальцієва твердість проти магнієвої твердості
1 ммоль/л Ca²⁺ становить 100 мг/л у вигляді CaCO3, а 1 ммоль/л Mg²⁺ становить 122 мг/л у вигляді CaCO3. Це означає, що при однаковій масовій концентрації іони магнію сприяють вищій молярній твердості.
Накип карбонату кальцію (CaCO₃) щільний і твердий, зазвичай зустрічається в трубах гарячої води. Гідроксид магнію (Mg(OH)₂) або силікат магнію більш пухкий і слизький, але більш стійкий при високих температурах.
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 мг/л (приблизно 41,5 мг/л як твердість магнію CaCO₃).
Дослідження показують, що вода з масовим співвідношенням, близьким до 2:1 (Ca:Mg), може бути більш корисною для мінерального обміну людини та ближче до співвідношення природної високо-якісної мінеральної води.