Tvrdost vody je v podstatě měřítkem koncentrace dvojmocných kationtů (hlavně Ca2⁺ a Mg2⁺, a také včetně malých množství Sr2⁺, Ba2⁺ a Fe2⁺).
V chemii vody a strojírenské úpravě se tvrdost dělí na tvrdost dočasnou a tvrdost trvalou. Dočasná tvrdost je koncentrace vápenatých a hořečnatých iontů vázaných na hydrogenuhličitany (HCO₃⁻) a uhličitany (CO₃²⁻) ve vodě. Vzhledem k tomu, že pH přírodní vody je obvykle nižší než 8,3, existuje převážně ve formě hydrogenuhličitanů (Ca(HCO3)₂, Mg(HCO3)₂).
Když se voda zahřeje nad 60-70 stupňů, dojde k reakci tepelného rozkladu, při které se vysrážejí uhličitany:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO3 + CO₂↑ + H2O (meziprodukt, dále hydrolyzovaný na Mg(OH)₂)
Jeho teoretická maximální hodnota je omezena celkovou alkalitou vody (hlavně HCO₃⁻). Když celková tvrdost > celková alkalita, uhličitanová tvrdost=celková alkalita. To je jádro výpočtů vodní bilance.
Stálá tvrdost je sůl tvořená kombinací vápníku, hořčíku a aniontů silných kyselin, jako je síran (SO42⁻), chlorid (Cl⁻) a dusičnan (NO3⁻) (např. CaSO4, MgCl2).
Tyto soli mají vysokou rozpustnost (např. rozpustnost CaS04 je přibližně 2,1 g/l při 25 stupních) a po varu nevytvářejí uhličitanové sraženiny, proto termín "trvalý". Při vysoké teplotě a tlaku (jako např. v kotlích) se však jejich rozpustnost obrátí (se zvyšující se teplotou klesá), čímž se vytvoří tvrdý, hustý síran vápenatý, který je škodlivější.
Mezinárodně se jako standardizovaná jednotka pro usnadnění výpočtu a srovnání používá mg/l CaCO3 (vypočteno jako uhličitan vápenatý).
*Pokyny WHO pro kvalitu pitné-vody* nestanoví povinný limit tvrdosti, ale uvádí, že ideální rozmezí může být 60–120 mg/l, a zdůrazňuje riziko koroze při příliš nízké tvrdosti (<30 mg/L).
Čínské *Standardy pro kvalitu pitné vody* stanoví limit tvrdosti 450 mg/l (na základě senzorických úvah a vody-za použití zařízení).
Většina vodárenských společností ve Spojených státech doporučuje tvrdost pod 150-200 mg/l.
Tvrdost vápníku vs. tvrdost hořčíku
1 mmol/l Ca2⁺ přispívá 100 mg/l jako CaCO3, zatímco 1 mmol/l Mg2⁺ přispívá 122 mg/l jako CaCO₃. To znamená, že při stejné hmotnostní koncentraci přispívají ionty hořčíku k vyšší molární tvrdosti.
Uhličitan vápenatý (CaCO₃) je hustý a tvrdý, běžně se vyskytuje v horkovodních trubkách. Hydroxid hořečnatý (Mg(OH)₂) nebo křemičitan hořečnatý je volnější a kluzký, ale stabilnější při vysokých teplotách.
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 (přibližně 41,5 mg/l jako CaCO₃ hořčíková tvrdost).
Výzkumy ukazují, že voda s hmotnostním poměrem blízkým 2:1 (Ca:Mg) může být prospěšnější pro lidský minerální metabolismus a blíží se poměru přírodních vysoce-minerálních vod.