Als regenwater, dat altijd verzadigd is met koolstofdioxide uit de lucht, in contact komt met kalksteen (aan het oppervlak of in bodems), geeft dit de volgende reactie:
Met magnesiumcarbonaat (eveneens aanwezig in bepaalde bodems) verloopt de reactie analoog.
Er ontstaan dus ionen van oplosbare zouten - calciumwaterstofcarbonaat en eventueel magnesiumwaterstofcarbonaat - die terecht komen in achtereenvolgens grondwater, rivierwater en drinkwater. Ze veroorzaken hardheid van water.
Tijdelijke hardheid
Bij verdamping van het water of bij verwarming van de oplossing boven de 80 °C verloopt de reactie in de omgekeerde richting. Gevormd koolstofdioxide ontwijkt en er ontstaat een vast neerslag van calcium- en of magnesiumcarbonaat:
In ketels en warmwatertoestellen noemen we deze aanslag ketelsteen of kalkaanslag.
Bij verhitten neemt de hardheid van het water af. We zeggen: de tijdelijke hardheid verdwijnt.
Blijvende hardheid
Opgeloste calcium- en/of magnesiumzouten anders dan calciumwaterstofcarbonaat en magnesiumwaterstofcarbonaat, zoals calciumchloride en calciumsulfaat, veroorzaken blijvende hardheid. Blijvende hardheid verdwijnt niet bij het koken van het water.
Hardheidsgraad
Voor het toekennen van een getalwaarde aan de hardheid van water gebruiken we in Nederland de Duitse hardheidsgraad °D. Eén °D komt overeen met 7,1 mg Ca2+ per liter.
De waterhardheid kunnen we in drie trajecten verdelen: