Độ cứng của nước về cơ bản là thước đo nồng độ của các cation hóa trị hai (chủ yếu là Ca2⁺ và Mg2⁺, ngoài ra còn bao gồm một lượng nhỏ Sr2⁺, Ba2⁺ và Fe2⁺).
Trong hóa học và xử lý kỹ thuật nước, độ cứng được phân loại thành độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh viễn. Độ cứng tạm thời là nồng độ của các ion canxi và magie liên kết với bicarbonate (HCO₃⁻) và cacbonat (CO₃²⁻) trong nước. Vì độ pH của nước tự nhiên thường dưới 8,3 nên nó chủ yếu tồn tại ở dạng bicarbonate (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂).
Khi nước được đun nóng đến trên 60-70 độ, phản ứng phân hủy nhiệt xảy ra, tạo ra cacbonat kết tủa:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (sản phẩm trung gian, tiếp tục thủy phân thành Mg(OH)₂)
Giá trị tối đa theo lý thuyết của nó bị giới hạn bởi tổng độ kiềm của nước (chủ yếu là HCO₃⁻). Khi độ cứng tổng cộng > độ kiềm tổng, độ cứng cacbonat=độ kiềm tổng. Đây là cốt lõi của tính toán cân bằng nước.
Độ cứng vĩnh cửu là muối được hình thành bởi sự kết hợp của canxi, magie và các anion axit mạnh như sunfat (SO₄²⁻), clorua (Cl⁻) và nitrat (NO₃⁻) (ví dụ: CaSO₄, MgCl₂).
Các muối này có độ hòa tan cao (ví dụ: độ hòa tan CaSO₄ xấp xỉ 2,1 g/L ở 25 độ) và không tạo ra kết tủa cacbonat sau khi đun sôi, do đó có thuật ngữ "vĩnh cửu". Tuy nhiên, dưới nhiệt độ và áp suất cao (như trong nồi hơi), khả năng hòa tan của chúng bị đảo ngược (giảm khi nhiệt độ tăng), tạo thành cặn canxi sunfat cứng, đậm đặc, có hại hơn.
Trên bình diện quốc tế, mg/L CaCO₃ (được tính bằng canxi cacbonat) được sử dụng làm đơn vị tiêu chuẩn hóa để dễ tính toán và so sánh.
*Hướng dẫn về chất lượng nước uống{0}}* của WHO không đặt ra giới hạn độ cứng bắt buộc nhưng chỉ ra rằng phạm vi lý tưởng có thể là 60-120 mg/L và nhấn mạnh nguy cơ ăn mòn nếu độ cứng quá thấp (<30 mg/L).
*Tiêu chuẩn về chất lượng nước uống* của Trung Quốc quy định giới hạn độ cứng là 450 mg/L (dựa trên các cân nhắc về cảm quan và thiết bị sử dụng nước).
Hầu hết các công ty nước ở Hoa Kỳ khuyến nghị độ cứng dưới 150-200 mg/L.
Độ cứng canxi so với độ cứng magie
1 mmol/L Ca²⁺ đóng góp 100 mg/L dưới dạng CaCO₃, trong khi 1 mmol/L Mg²⁺ đóng góp 122 mg/L dưới dạng CaCO₃. Điều này có nghĩa là ở cùng nồng độ khối lượng, các ion magie đóng góp độ cứng mol cao hơn.
Cặn canxi cacbonat (CaCO₃) đặc và cứng, thường thấy trong các đường ống nước nóng. Magiê hydroxit (Mg(OH)₂) hoặc cặn magie silicat lỏng hơn và trơn hơn, nhưng ổn định hơn ở nhiệt độ cao.
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 (khoảng 41,5 mg/L tính theo độ cứng magiê CaCO₃).
Nghiên cứu chỉ ra rằng nước có tỷ lệ khối lượng gần 2:1 (Ca:Mg) có thể có lợi hơn cho quá trình chuyển hóa khoáng chất của con người và gần với tỷ lệ của nước khoáng chất lượng cao-tự nhiên.