Vandets hårdhed er i det væsentlige et mål for koncentrationen af divalente kationer (hovedsageligt Ca²⁺ og Mg²⁺, og inkluderer også små mængder Sr²⁺, Ba²⁺ og Fe²⁺).
I vandkemi og ingeniørbehandling klassificeres hårdhed i midlertidig hårdhed og permanent hårdhed. Midlertidig hårdhed er koncentrationen af calcium- og magnesiumioner bundet til bicarbonater (HCO₃⁻) og carbonater (CO₃²⁻) i vand. Da naturligt vands pH sædvanligvis er under 8,3, eksisterer det hovedsageligt i form af bicarbonater (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂).
Når vand opvarmes til over 60-70 grader, opstår der en termisk nedbrydningsreaktion, som udfælder karbonater:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (mellemprodukt, yderligere hydrolyseret til Mg(OH)₂)
Dens teoretiske maksimumværdi er begrænset af vandets totale alkalinitet (hovedsageligt HCO₃⁻). Når total hårdhed > total alkalinitet, carbonathårdhed=total alkalinitet. Dette er kernen i vandbalanceberegninger.
Permanent hårdhed er et salt dannet af kombinationen af calcium, magnesium og stærke syreanioner, såsom sulfat (SO₄²⁻), chlorid (Cl⁻) og nitrat (NO₃⁻) (f.eks. CaSO₄, MgCl₂).
Disse salte har høj opløselighed (f.eks. er CaS04-opløselighed ca. 2,1 g/l ved 25 grader) og producerer ikke carbonatudfældninger efter kogning, deraf udtrykket "permanent". Men under høj temperatur og tryk (såsom i kedler), vender deres opløselighed (falder med stigende temperatur), hvilket danner en hård, tæt calciumsulfatskala, som er mere skadelig.
Internationalt bruges mg/L CaCO₃ (beregnet som calciumcarbonat) som den standardiserede enhed for nem beregning og sammenligning.
WHO's *Guidelines for Drinking-water Quality* sætter ikke en obligatorisk hårdhedsgrænse, men angiver, at det ideelle område kan være 60-120 mg/L, og understreger korrosionsrisikoen ved for lav hårdhed (<30 mg/L).
Kinas *standarder for drikkevandskvalitet* angiver en hårdhedsgrænse på 450 mg/L (baseret på sensoriske overvejelser og vand-ved brug af udstyr).
De fleste vandselskaber i USA anbefaler en hårdhed under 150-200 mg/L.
Calcium hårdhed vs. magnesium hårdhed
1 mmol/L Ca²⁺ bidrager med 100 mg/L som CaCO₃, mens 1 mmol/L Mg²⁺ bidrager med 122 mg/L som CaCO₃. Det betyder, at ved samme massekoncentration bidrager magnesiumioner med en højere molær hårdhed.
Calciumkarbonat (CaCO₃) skæl er tæt og hårdt, som almindeligvis findes i varmtvandsrør. Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) eller magnesiumsilikatskala er løsere og glattere, men mere stabil ved høje temperaturer.
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 (ca. 41,5 mg/L som CaCO3-magnesiumhårdhed).
Forskning viser, at vand med et masseforhold tæt på 2:1 (Ca:Mg) kan være mere gavnligt for menneskets mineralmetabolisme og er tættere på forholdet mellem naturligt mineralvand af høj-kvalitet.
