Twardość węglanową powoduje obecność wodorowęglanów wapnia i magnezu: Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, które w podwyższonej temperaturze rozkładają się z wytworzeniem nierozpuszczalnych w wodzie: węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu. Twardość węglanowa nazywana jest również twardością przemijającą, ponieważ zanika podczas gotowania wody.
Twardość stała (niewęglanowa) spowodowana jest obecnością rozpuszczalnych w wodzie soli, które pozostają w wodzie po jej zagotowaniu. Są to przede wszystkim siarczany, chlorki i krzemiany wapnia oraz magnezu (CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, CaSiO3, MgSiO3).
Na twardość całkowitą składa się zawartość wszystkich soli wapnia i magnezu, a także innych jonów dwuwartościowych, np. Fe2+, Mn2+, a więc jest to suma twardości węglanowej i stałej. Ze względu na występujące w wodach duże stężenie jonów Ca2+ i Mg2+, a małe stężenie jonów innych metali, twardość wody praktycznie powodowana jest przez sole wapnia i magnezu.
Twardość wody wyraża się w jednostkach zwanych stopniami twardości lub w mg węglanu wapnia przypadających na 1 dm3 wody. Jednostki określające twardość wody nie są ujednolicone, w różnych krajach stosowane są różne jednostki; ich wzajemne zależności przedstawiono w tabeli 1. W Polsce nadal używa się tzw. niemieckich stopni twardości wody lub mg CaCO3 w dm3. Stopień niemiecki (1oN) odpowiada zawartości soli wapnia i magnezu w ilości równoważnej 10 mg CaO w 1 dm3 wody. Stosowany dawniej stopień milimolowy
odpowiada twardości równoważnej 1 milimolowi Ca2+ (40,08 mg) w 1 dm3 wody.
Twardość wód naturalnych może wahać się znacznie, w zakresie od kilku do kilkuset mg CaCO3/dm3. Wody źródlane mają często niską twardość, a zwykle ze wzrostem zanieczyszczenia twardość wód zwiększa się. W dużym stopniu twardość wód zależy od warunków geologicznych zlewni, najczęściej jest to twardość węglanowa. Twardość niewęglanowa w wielu wodach nie występuje, a przeciętnie wynosi 1 - 2oN (15 - 35 mg CaCO3/dm3).
Wody opadowe atmosferyczne mają niską twardość. W zależności od twardości wody dzielimy na 6 grup, co przedstawiono w tabeli 2.
Tab 2. Jednostki twardości wody i współczynniki przeliczeniowe
| Jednostka | mg CaCO3/dm3 |
Stopień niemiecki |
Stopień francuski |
Stopień milimolowy |
| mg CaCO3/dm3 | 1 | 0,056 | 0,1 | 0,01 |
| niemiecki oN | 17,84 | 1 | 1,784 | 0,178 |
| francuski oF | 10 | 0,560 | 1 | 0,1 |
| milimolowy | 100,08 | 5,6 | 10 | 1 |
Tabela 3. Grupy wody w zależności od twardości
| Twardość ogólna [mg CaCO3/dm3] | Skala opisowa |
| 0-50 | miękka |
| 50-100 | średnio miękka |
| 100-150 | mało twarda |
| 150-200 | średnio twarda |
| 200-300 | twarda |
| powyżej 300 | bardzo twarda |
Woda twarda jest niepożądana w gospodarstwach domowych i przede wszystkim w przemyśle. Powoduje ona:
- wzrost zużycia mydła, gdyż wytrącają się nierozpuszczalne sole wapnia i magnezu,
- jony wapnia i magnezu mogą osadzać się na włóknach pranego materiału pogarszając ich jakość użytkową,
- wzrasta korozja w wymiennikach ciepła wskutek hydrolizy soli magnezu i wzrostu stężenia jonów hydroniowych: Mg2+ + 2 H2O = Mg(OH)2 ↓ + 2 H3O+
- powstaje kamieńkotłowy, który utrudnia wymianę ciepła.
Przemysł chemiczny i farmaceutyczny stosuje jako rozpuszczalnik wodę całkowicie zdemineralizowaną, chemicznie czystą H2O.
Wody bardzo miękkie nie nadają się do picia, są wręcz szkodliwe dla człowieka; jak stwierdzono, ich picie powoduje wzrost zachorowań na choroby serca.
Przedstawiane Materiały zebrał i opracował dr inż Radosław Pomećko, Kat. Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
