ความกระด้างของน้ำโดยพื้นฐานแล้วเป็นการวัดความเข้มข้นของแคตไอออนไดวาเลนต์ (ส่วนใหญ่เป็น Ca²⁺ และ Mg²⁺ และยังรวมถึง Sr²⁺, Ba²⁺ และ Fe²⁺ จำนวนเล็กน้อยด้วย)
ในเคมีของน้ำและการบำบัดทางวิศวกรรม ความแข็งแบ่งออกเป็นความกระด้างชั่วคราวและความกระด้างถาวร ความกระด้างชั่วคราวคือความเข้มข้นของไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมที่จับกับไบคาร์บอเนต (HCO₃⁻) และคาร์บอเนต (CO₃²⁻) ในน้ำ เนื่องจากค่า pH ของน้ำธรรมชาติมักจะต่ำกว่า 8.3 โดยส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของไบคาร์บอเนต (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂)
เมื่อน้ำร้อนเกิน 60-70 องศา จะเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวเนื่องจากความร้อน ทำให้เกิดการตกตะกอนของคาร์บอเนต:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (ผลิตภัณฑ์ระดับกลาง ไฮโดรไลซ์เพิ่มเติมเป็น Mg(OH)₂)
ค่าสูงสุดตามทฤษฎีของมันถูกจำกัดโดยความเป็นด่างรวมของน้ำ (HCO₃⁻ เป็นหลัก) เมื่อความแข็งทั้งหมด > ความเป็นด่างทั้งหมด ความกระด้างของคาร์บอเนต=ความเป็นด่างทั้งหมด นี่คือหัวใจหลักของการคำนวณสมดุลของน้ำ
ความกระด้างถาวรคือเกลือที่เกิดขึ้นจากการรวมกันของแคลเซียม แมกนีเซียม และแอนไอออนของกรดแก่ เช่น ซัลเฟต (SO₄²⁻) คลอไรด์ (Cl⁻) และไนเตรต (NO₃⁻) (เช่น CaSO₄, MgCl₂)
เกลือเหล่านี้มีความสามารถในการละลายสูง (เช่น ความสามารถในการละลาย CaSO₄ อยู่ที่ประมาณ 2.1 กรัม/ลิตร ที่ 25 องศา ) และไม่ก่อให้เกิดตะกอนคาร์บอเนตหลังจากการเดือด จึงเป็นที่มาของคำว่า "ถาวร" อย่างไรก็ตาม ภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง (เช่น ในหม้อต้มน้ำ) ความสามารถในการละลายจะกลับตัว (ลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น) ทำให้เกิดแคลเซียมซัลเฟตที่แข็งและหนาแน่น ซึ่งเป็นอันตรายมากกว่า
ในระดับสากล จะใช้ mg/L CaCO₃ (คำนวณเป็นแคลเซียมคาร์บอเนต) เป็นหน่วยมาตรฐานเพื่อความสะดวกในการคำนวณและเปรียบเทียบ
*แนวทางการดื่ม-คุณภาพน้ำ* ของ WHO ไม่ได้กำหนดขีดจำกัดความกระด้างที่จำเป็น แต่ระบุว่าช่วงที่เหมาะสมที่สุดอาจเป็น 60-120 มก./ลิตร และเน้นย้ำถึงความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนของความกระด้างต่ำเกินไป (<30 mg/L).
*มาตรฐานคุณภาพน้ำดื่ม* ของจีนกำหนดขีดจำกัดความกระด้างที่ 450 มก./ลิตร (ขึ้นอยู่กับการพิจารณาทางประสาทสัมผัสและน้ำ-โดยใช้อุปกรณ์)
บริษัทน้ำส่วนใหญ่ในสหรัฐอเมริกาแนะนำค่าความกระด้างต่ำกว่า 150-200 มก./ลิตร
ความแข็งของแคลเซียมเทียบกับความแข็งของแมกนีเซียม
Ca²⁺ 1 มิลลิโมล/ลิตรให้ CaCO₃ 100 มก./ลิตร ในขณะที่ Mg²⁺ 1 มิลลิโมล/ลิตรให้ CaCO₃ 122 มก./ลิตร ซึ่งหมายความว่าที่ความเข้มข้นของมวลเท่ากัน แมกนีเซียมไอออนจะมีความแข็งของฟันกรามสูงขึ้น
ตะกรันแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) มีความหนาแน่นและแข็ง ซึ่งมักพบในท่อน้ำร้อน แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ (Mg(OH)₂) หรือแมกนีเซียมซิลิเกตจะหลวมและลื่นกว่า แต่มีความเสถียรมากกว่าที่อุณหภูมิสูง
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 มก./ลิตร (ประมาณ 41.5 มก./ลิตร โดยมีความกระด้างของแมกนีเซียม CaCO₃)
การวิจัยระบุว่าน้ำที่มีอัตราส่วนมวลใกล้ 2:1 (Ca:Mg) อาจเป็นประโยชน์ต่อการเผาผลาญแร่ธาตุของมนุษย์มากกว่า และใกล้เคียงกับอัตราส่วนของน้ำแร่คุณภาพสูง-ตามธรรมชาติ
