Kekerasan air pada asasnya ialah ukuran kepekatan kation divalen (terutamanya Ca²⁺ dan Mg²⁺, dan juga termasuk sejumlah kecil Sr²⁺, Ba²⁺, dan Fe²⁺).
Dalam kimia air dan rawatan kejuruteraan, kekerasan dikelaskan kepada kekerasan sementara dan kekerasan kekal. Kekerasan sementara ialah kepekatan ion kalsium dan magnesium yang terikat kepada bikarbonat (HCO₃⁻) dan karbonat (CO₃²⁻) dalam air. Oleh kerana pH air semula jadi biasanya di bawah 8.3, ia wujud terutamanya dalam bentuk bikarbonat (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂).
Apabila air dipanaskan hingga melebihi 60-70 darjah, tindak balas penguraian terma berlaku, mendakan karbonat:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (hasil perantaraan, selanjutnya dihidrolisiskan kepada Mg(OH)₂)
Nilai maksimum teorinya dihadkan oleh jumlah kealkalian air (terutamanya HCO₃⁻). Apabila jumlah kekerasan > jumlah kealkalian, kekerasan karbonat=jumlah kealkalian. Ini adalah teras pengiraan keseimbangan air.
Kekerasan kekal ialah garam yang terbentuk daripada gabungan kalsium, magnesium, dan anion asid kuat seperti sulfat (SO₄²⁻), klorida (Cl⁻), dan nitrat (NO₃⁻) (cth, CaSO₄, MgCl₂).
Garam ini mempunyai keterlarutan yang tinggi (cth, keterlarutan CaSO₄ adalah lebih kurang 2.1 g/L pada 25 darjah ), dan tidak menghasilkan mendakan karbonat selepas mendidih, oleh itu istilah "kekal." Walau bagaimanapun, di bawah suhu dan tekanan tinggi (seperti dalam dandang), keterlarutannya terbalik (menurun dengan peningkatan suhu), membentuk skala kalsium sulfat yang keras dan padat, yang lebih berbahaya.
Di peringkat antarabangsa, mg/L CaCO₃ (dikira sebagai kalsium karbonat) digunakan sebagai unit piawai untuk memudahkan pengiraan dan perbandingan.
*Garis Panduan untuk Minum-Kualiti air* WHO tidak menetapkan had kekerasan mandatori, tetapi menunjukkan bahawa julat ideal mungkin 60-120 mg/L, dan menekankan risiko kakisan kekerasan yang terlalu rendah (<30 mg/L).
*Piawaian Kualiti Air Minuman China* menetapkan had kekerasan 450 mg/L (berdasarkan pertimbangan deria dan air-menggunakan peralatan).
Kebanyakan syarikat air di Amerika Syarikat mengesyorkan kekerasan di bawah 150-200 mg/L.
Kekerasan Kalsium lwn Kekerasan Magnesium
1 mmol/L Ca²⁺ menyumbang 100 mg/L sebagai CaCO₃, manakala 1 mmol/L Mg²⁺ menyumbang 122 mg/L sebagai CaCO₃. Ini bermakna bahawa pada kepekatan jisim yang sama, ion magnesium menyumbang kekerasan molar yang lebih tinggi.
Skala kalsium karbonat (CaCO₃) adalah padat dan keras, biasanya ditemui dalam paip air panas. Magnesium hidroksida (Mg(OH)₂) atau skala magnesium silikat lebih longgar dan licin, tetapi lebih stabil pada suhu tinggi.
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 (kira-kira 41.5 mg/L sebagai kekerasan magnesium CaCO₃).
Penyelidikan menunjukkan bahawa air dengan nisbah jisim hampir 2:1 (Ca:Mg) mungkin lebih bermanfaat untuk metabolisme mineral manusia dan lebih hampir kepada nisbah air mineral-berkualiti tinggi semula jadi.