Η σκληρότητα και η αλκαλικότητα στο φυσικό νερό είναι σημαντικοί δείκτες που αντικατοπτρίζουν τα χαρακτηριστικά της ποιότητας του νερού. Η σκληρότητα αναφέρεται κυρίως στη συνολική συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου (Ca2⁺) και ιόντων μαγνησίου (Mg²) στο νερό, ενώ η αλκαλικότητα προσδιορίζεται κυρίως από ιόντα διττανθρακικού άλατος (Hco₃⁻). Η σχέση μεταξύ των δύο επηρεάζει άμεσα τη σύνθεση διαλυμένων αλάτων στο νερό και έτσι αντικατοπτρίζει τις χημικές ιδιότητες του υδάτινου σώματος. Σύμφωνα με τον λόγο συγκέντρωσης των δύο, μπορεί να χωριστεί στις ακόλουθες τρεις καταστάσεις:
1. Η αλκαλικότητα είναι μεγαλύτερη από τη σκληρότητα (σε mol/l)
Όταν η συγκέντρωση Hco₃⁻ στο νερό είναι υψηλότερη από το ήμισυ της συνολικής συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου (δηλαδή Hco₃⁻> ½ (Ca2⁺ + mg2⁺)), υποδεικνύει ότι η αλκαλικότητα υπερβαίνει σημαντικά τη σκληρότητα. Αυτή τη στιγμή, τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου θα συνδυάζονται κατά προτίμηση με διττανθρακικό για να σχηματίσουν διττανθρακικό ασβέστιο (Ca (Hco₃) ₂) και διττανθρακικό μαγνήσιο (Mg (Hco₃) ₂). Το υπόλοιπο HCO₃⁻ συνδυάζεται με μονοσθενές κατιόντα όπως νάτριο (Na⁺) και κάλιο (K⁺) για να σχηματίσουν διττανθρακικό νάτριο (Nahco₃) και διττανθρακικό κάλιο (khco₃).
Σε αυτή την περίπτωση, η σκληρότητα στο νερό αποτελείται εξ ολοκλήρου από διττανθρακικό και δεν υπάρχει σκληρότητα μη ανθρακικού άλατος (όπως άλατα ασβεστίου και μαγνησίου με τη μορφή θειικών ή χλωριδίων). Επιπλέον, η διαφορά μεταξύ αλκαλικότητας και σκληρότητας αντιστοιχεί στη συγκέντρωση των διττανθρακικών άλατος και του καλίου. Αυτή η υπερβολική αλκαλικότητα ονομάζεται "αρνητική σκληρότητα" ή "υπερβολική αλκαλικότητα", πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει επιπλέον διττανθρακικό στο νερό που δεν καταναλώνεται από ασβέστιο και μαγνήσιο.
2. Η αλκαλικότητα ισούται με σκληρότητα (σε mol/l)
Όταν η συγκέντρωση Hco₃⁻ είναι ακριβώς ίση με το ήμισυ της συνολικής συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου (δηλαδή HCO₃⁻ {{0} ½ ½ (Ca2⁺ + mg2⁺)), τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου θα συνδυάσουν όλα με διττανθρακικό για να σχηματίσουν διτρωματικό ασβέστιο και μαγνήσιο. Αυτή τη στιγμή, τα ιόντα νατρίου και καλίου δεν μπορούν να σχηματίσουν διττανθρακικό άλας, αλλά να συνδυάζονται με θειικά (So₄² ⁻) ή ιόντα χλωριούχου (CL⁻) για να σχηματίσουν ουδέτερα άλατα όπως θειικό νάτριο (Na₂so₄), θειικό κάλιο (k₂so₄), χλωριούχο νάτριο (NaCl) ή χλωριούχο κάλιο (KCl).
Σε αυτή την περίπτωση, δεν υπάρχει ούτε υπερβολική αλκαλικότητα (αρνητική σκληρότητα) ούτε σκληρότητα μη ανθρακικού στο νερό. Η σκληρότητα και η αλκαλικότητα ταιριάζουν απόλυτα, υποδεικνύοντας ότι οι συγκεντρώσεις του ασβεστίου και του μαγνησίου εξουδετερώνονται απλώς με διττανθρακικό και άλλα ανιόντα συνδυάζονται μόνο με νάτριο και κάλιο.
3. Η αλκαλικότητα είναι μικρότερη από τη σκληρότητα (σε mol/l)
Όταν η συγκέντρωση Hco₃⁻ είναι μικρότερη από το ήμισυ της συνολικής συγκέντρωσης ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου (δηλαδή Hco₃⁻ <½ (Ca2⁺ + mg2⁺)), το μη-περιελάριο ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου στο νερό δεν μπορεί να εξουδετερωθεί πλήρως με διττανθρακικό και το υπόλοιπο μέρος θα συνδυαστεί με άλλα ανιόντα (όπως θειικά ή χλωριούχα ιόντα). Σύμφωνα με τη διαφορά στον λόγο του ασβεστίου και του μαγνησίου, αυτή η κατάσταση μπορεί να χωριστεί περαιτέρω σε δύο τύπους:
(1) σκληρό νερό ασβεστίου (υψηλή αναλογία Ca² ⁺)
Εάν η συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου είναι υψηλή (½ca2⁺> Hco₃⁻), το δισανθρακικό θα συνδυαστεί κατά προτίμηση με ασβέστιο για να σχηματίσει διττανθρακικό ασβέστιο και τα υπόλοιπα ιόντα ασβεστίου θα συνδυαστούν με θειικό άλας για να σχηματίσουν θειικό ασβέστιο (Caso₄). Ταυτόχρονα, δεδομένου ότι τα ιόντα μαγνησίου δεν εξουδετερώνονται πλήρως, θα υπάρχουν με τη μορφή θειικού μαγνησίου (MGSO₄). Αυτή τη στιγμή, υπάρχει προφανής σκληρότητα μη ανθρακικού άλατος στο νερό (όπως θειικό ασβέστιο και θειικό μαγνήσιο), αλλά δεν υπάρχει καθόλου διττανθρακικό μαγνήσιο (Mg (Hco₃) ₂).
(2) Το σκληρό νερό του μαγνησίου (mg²⁺ αντιπροσωπεύει υψηλό ποσοστό)
Εάν η συγκέντρωση ιόντων μαγνησίου είναι υψηλή (½ca2⁺ Και στις δύο περιπτώσεις, όσο η αλκαλικότητα είναι μικρότερη από τη σκληρότητα, η μη ανθρακική σκληρότητα πρέπει να υπάρχει στο νερό και εξαφανίζονται πλήρως τα διττανθρακικά νάτριο και κάλιο (όπως Nahco₃). Περίληψη και ανάλυση Συγκρίνοντας τη σχέση μεταξύ σκληρότητας και αλκαλικότητας, μπορούμε να διευκρινίσουμε τη σύνθεση και την πηγή των αλάτων στο νερό: Αλκαλικότητα> σκληρότητα: Το ασβέστιο και το μαγνήσιο στο νερό υπάρχουν με τη μορφή διττανθρακικού άλατος, συνοδευόμενο από διττανθρακικό νάτριο και κάλιο (αρνητική σκληρότητα). Αλκαλικότητα=σκληρότητα: τα διττανθρακικά ασβέστιο και μαγνήσιο είναι πλήρως εξουδετερωμένα και άλλα άλατα σχηματίζονται από νατρίου, καλίου και θειικού ή χλωριούχου ιόντων. Αλκαλικότητα <σκληρότητα: η μη ανθρακική σκληρότητα πρέπει να υπάρχει και η συγκεκριμένη σύνθεση εξαρτάται από την αναλογία συγκέντρωσης του ασβεστίου και του μαγνησίου.