Tvrdosť vody je v podstate meradlom koncentrácie dvojmocných katiónov (hlavne Ca2+ a Mg2+ a tiež vrátane malých množstiev Sr2+, Ba2+ a Fe2+).
V chémii vody a inžinierskej úprave sa tvrdosť delí na dočasnú tvrdosť a trvalú tvrdosť. Dočasná tvrdosť je koncentrácia iónov vápnika a horčíka viazaných na hydrogénuhličitany (HCO₃⁻) a uhličitany (CO₃²⁻) vo vode. Keďže pH prírodnej vody je zvyčajne nižšie ako 8,3, existuje hlavne vo forme hydrogénuhličitanov (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO3)₂).
Keď sa voda zahreje na viac ako 60-70 stupňov, dochádza k reakcii tepelného rozkladu, pri ktorej sa vyzrážajú uhličitany:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO3 + CO₂↑ + H₂O (medziprodukt, ďalej hydrolyzovaný na Mg(OH)₂)
Jeho teoretická maximálna hodnota je limitovaná celkovou alkalitou vody (hlavne HCO₃⁻). Keď celková tvrdosť > celková alkalita, uhličitanová tvrdosť=celková alkalita. Toto je jadro výpočtov vodnej bilancie.
Trvalá tvrdosť je soľ vytvorená kombináciou vápnika, horčíka a aniónov silných kyselín, ako je síran (SO42⁻), chlorid (Cl⁻) a dusičnan (N03⁻) (napr. CaSO4, MgCl2).
Tieto soli majú vysokú rozpustnosť (napr. rozpustnosť CaS04 je približne 2,1 g/l pri 25 stupňoch) a po varení nevytvárajú uhličitanové precipitáty, preto sa používa termín "trvalý". Pri vysokej teplote a tlaku (napríklad v kotloch) sa však ich rozpustnosť obracia (so zvyšujúcou sa teplotou klesá), čím sa vytvára tvrdý, hustý síran vápenatý, ktorý je škodlivejší.
V medzinárodnom meradle sa ako štandardizovaná jednotka používa mg/l CaCO3 (vypočítaný ako uhličitan vápenatý) na uľahčenie výpočtu a porovnávania.
*Pokyny WHO pre kvalitu pitnej vody- nestanovujú povinný limit tvrdosti, ale uvádzajú, že ideálny rozsah môže byť 60 – 120 mg/l, a zdôrazňujú riziko korózie pri nadmerne nízkej tvrdosti (<30 mg/L).
Čínske *Normy pre kvalitu pitnej vody* stanovujú limit tvrdosti 450 mg/l (na základe senzorických úvah a vody-využitia zariadenia).
Väčšina vodárenských spoločností v Spojených štátoch odporúča tvrdosť pod 150-200 mg/l.
Tvrdosť vápnika vs. tvrdosť horčíka
1 mmol/l Ca2⁺ prispieva 100 mg/l ako CaCO₃, zatiaľ čo 1 mmol/l Mg2⁺ prispieva 122 mg/l ako CaCO₃. To znamená, že pri rovnakej hmotnostnej koncentrácii prispievajú ióny horčíka k vyššej molárnej tvrdosti.
Vodný kameň uhličitanu vápenatého (CaCO₃) je hustý a tvrdý, bežne sa vyskytuje v teplovodných potrubiach. Hydroxid horečnatý (Mg(OH)₂) alebo kremičitan horečnatý sú voľnejšie a klzké, ale stabilnejšie pri 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 (približne 41,5 mg/l ako tvrdosť horčíka CaCO₃).
Výskum naznačuje, že voda s hmotnostným pomerom blízkym 2:1 (Ca:Mg) môže byť prospešnejšia pre ľudský minerálny metabolizmus a je bližšie k pomeru prírodnej minerálnej vody vysokej-kvality.