Тврдоћа воде је у суштини мера концентрације двовалентних катјона (углавном Ца²⁺ и Мг²⁺, а такође укључује мале количине Ср²⁺, Ба²⁺ и Фе²⁺).
У хемији воде и инжењерском третману, тврдоћа се класификује на привремену тврдоћу и трајну тврдоћу. Привремена тврдоћа је концентрација јона калцијума и магнезијума везаних за бикарбонате (ХЦО₃⁻) и карбонате (ЦО₃²⁻) у води. Пошто је пХ природне воде обично испод 8,3, она углавном постоји у облику бикарбоната (Ца(ХЦО₃)₂, Мг(ХЦО₃)₂).
Када се вода загреје на температуру изнад 60-70 степени, долази до реакције термичког разлагања, таложења карбоната:
Ца(ХЦО₃)₂ → Δ → ЦаЦО₃↓ + ЦО₂↑ + Х₂О
Мг(ХЦО₃)₂ → Δ → МгЦО₃ + ЦО₂↑ + Х₂О (међупроизвод, даље хидролизован у Мг(ОХ)₂)
Његова теоретска максимална вредност је ограничена укупном алкалношћу воде (углавном ХЦО₃⁻). Када је укупна тврдоћа > укупна алкалност, карбонатна тврдоћа=укупна алкалност. Ово је срж прорачуна водног биланса.
Трајна тврдоћа је со настала комбинацијом ањона калцијума, магнезијума и јаких киселих ањона као што су сулфат (СО₄²⁻), хлорид (Цл⁻) и нитрат (НО₃⁻) (нпр. ЦаСО₄, МгЦл₂).
Ове соли имају високу растворљивост (нпр. растворљивост ЦаСО₄ је приближно 2,1 г/Л на 25 степени), и не производе карбонатне преципитате након кључања, отуда и термин „трајни“. Међутим, под високом температуром и притиском (као што је у котловима), њихова растворљивост се преокреће (смањује се са повећањем температуре), формирајући тврду, густу каменац калцијум сулфата, што је штетније.
На међународном нивоу, мг/Л ЦаЦО₃ (израчунато као калцијум карбонат) се користи као стандардизована јединица ради лакшег израчунавања и поређења.
*Смернице СЗО за квалитет воде за пиће{0}}* не постављају обавезну границу тврдоће, али указују на то да идеални опсег може бити 60-120 мг/Л, и наглашава ризик од корозије претерано ниске тврдоће (<30 mg/L).
Кинески *стандарди за квалитет воде за пиће* предвиђају границу тврдоће од 450 мг/Л (засновано на сензорним разматрањима и опреми{1}}које воде).
Већина компанија за воду у Сједињеним Државама препоручује тврдоћу испод 150-200 мг/Л.
Тврдоћа калцијума у односу на тврдоћу магнезијума
1 ммол/Л Ца²⁺ доприноси 100 мг/Л као ЦаЦО₃, док 1 ммол/Л Мг²⁺ доприноси 122 мг/Л као ЦаЦО₃. То значи да при истој концентрацији масе, јони магнезијума доприносе већој моларној тврдоћи.
Калцијум карбонат (ЦаЦО₃) је густа и тврда, обично се налази у цевима за топлу воду. Магнезијум хидроксид (Мг(ОХ)₂) или магнезијум силикат је лабавији и клизав, али стабилнији на високим температурама.
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 (приближно 41,5 мг/Л као ЦаЦО₃ тврдоћа магнезијума).
Истраживања показују да вода са масеним односом близу 2:1 (Ца:Мг) може бити кориснија за људски метаболизам минерала и ближа је односу природне минералне воде високог квалитета.