La durezza dell'acqua è essenzialmente una misura della concentrazione di cationi bivalenti (principalmente Ca²⁺ e Mg²⁺, ma includono anche piccole quantità di Sr²⁺, Ba²⁺ e Fe²⁺).
Nella chimica dell'acqua e nel trattamento ingegneristico, la durezza è classificata in durezza temporanea e durezza permanente. La durezza temporanea è la concentrazione di ioni calcio e magnesio legati ai bicarbonati (HCO₃⁻) e ai carbonati (CO₃²⁻) nell'acqua. Poiché il pH dell'acqua naturale è solitamente inferiore a 8,3, essa esiste principalmente sotto forma di bicarbonati (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂).
Quando l'acqua viene riscaldata oltre i 60-70 gradi, si verifica una reazione di decomposizione termica, che fa precipitare i carbonati:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (prodotto intermedio, ulteriormente idrolizzato a Mg(OH)₂)
Il suo valore massimo teorico è limitato dall'alcalinità totale dell'acqua (principalmente HCO₃⁻). Quando la durezza totale > alcalinità totale, durezza carbonatica=alcalinità totale. Questo è il fulcro dei calcoli del bilancio idrico.
La durezza permanente è un sale formato dalla combinazione di calcio, magnesio e anioni acidi forti come solfato (SO₄²⁻), cloruro (Cl⁻) e nitrato (NO₃⁻) (ad es. CaSO₄, MgCl₂).
Questi sali hanno un'elevata solubilità (ad esempio, la solubilità del CaSO₄ è di circa 2,1 g/L a 25 gradi ) e non producono precipitati di carbonato dopo l'ebollizione, da qui il termine "permanente". Tuttavia, a temperature e pressioni elevate (come nelle caldaie), la loro solubilità si inverte (diminuisce con l'aumentare della temperatura), formando una scaglia di solfato di calcio dura e densa, che è più dannosa.
A livello internazionale, mg/L CaCO₃ (calcolato come carbonato di calcio) viene utilizzato come unità standardizzata per facilitare il calcolo e il confronto.
Le *Linee guida per la qualità dell'acqua- potabile* dell'OMS non stabiliscono un limite di durezza obbligatorio, ma indicano che l'intervallo ideale può essere compreso tra 60 e 120 mg/l e sottolinea il rischio di corrosione derivante da una durezza eccessivamente bassa (<30 mg/L).
Gli *Standard cinesi per la qualità dell'acqua potabile* stabiliscono un limite di durezza di 450 mg/l (basato su considerazioni sensoriali e sulle apparecchiature-che utilizzano l'acqua).
La maggior parte delle aziende idriche negli Stati Uniti consigliano una durezza inferiore a 150-200 mg/l.
Durezza del calcio contro durezza del magnesio
1 mmol/L di Ca²⁺ contribuisce con 100 mg/L come CaCO₃, mentre 1 mmol/L di Mg²⁺ contribuisce con 122 mg/L come CaCO₃. Ciò significa che, a parità di concentrazione di massa, gli ioni magnesio contribuiscono ad una maggiore durezza molare.
Le incrostazioni di carbonato di calcio (CaCO₃) sono dense e dure e si trovano comunemente nei tubi dell'acqua calda. L'idrossido di magnesio (Mg(OH)₂) o il silicato di magnesio sono più sciolti e scivolosi, ma più stabili alle alte temperature.
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 (circa 41,5 mg/L come durezza CaCO₃ magnesio).
La ricerca indica che l'acqua con un rapporto di massa vicino a 2:1 (Ca:Mg) può essere più benefica per il metabolismo minerale umano ed è più vicina al rapporto dell'acqua minerale naturale di alta-qualità.