Chúng ta đã biết nước có khả năng hoà tan một số ion vô cơ trong chu trình chuyển tự nhiên của mình. Với một mức độ vừa phải các ion khoáng như Magiê và Canxi, chúng có thể đi vào bên trong thành cellulose của hạt cà phê và quay trở lại với các chất hòa tan tạo nên hương vị cho một tách cà phê. Ở cấp độ phân tử ion Mg2+ cho ra chiết xuất mạnh hơn một chút so với Ca2+vì rất nhiều hợp chất hương vị trong cà phê có mang theo phân tử oxy, mà ion Magiê dễ dàng kết hợp qua cầu nối oxy. Một số axit đóng góp chính cho hương vị trong cà phê như: axit lactic, malic và citric – có thể liên kết chặt chẽ hơn với các ion Mg2+. Trong khi đó Canxi lại dễ dàng liên kết với các chất khác gây ra sự hình thành vôi – nguyên nhân chính khiến bạn phải vệ sinh máy Espresso định kỳ vì vôi hóa.
Tổng độ cứng, còn được gọi là độ cứng chung viết tắt là GH (General hardness), chỉ là một phép đo lượng Canxi và Magiê tích điện dương có trong nước. Bởi vì điện tích trong các ion này giúp chiết xuất các phân tử hương vị, cho nên phép đo GH là một chỉ số quan trọng về khả năng chiết xuất của nước. Cần biết rằng mỗi ion khoáng mang điện tích dương sẽ ghép nối với các ion mang điện tích âm. Trong nước, ion âm quan trọng nhất trong số này là bicarbonate (HCO3-).
Khi bạn đun sôi nước với bicarbonate, nó phản ứng với bất kỳ ion Canxi và Magiê nào trong nước để tạo thành kết tủa – một chất rắn gọi là limescale (QCaCO₃ và MgCO₃). Và như vậy, lượng cặn lớn nhất có thể hình thành khi nước được đun nóng gọi là độ cứng carbonate, hay còn gọi là độ cứng tạm thời. Độ cứng tạm thời thường được ký hiệu là KH là viết tắt của Karbonathärte (tiếng Đức) có nghĩa là độ cứng carbonate.
Khác với Ca2+ và Mg2+, ion Na+ liên kết yếu với hầu hết các hợp chất trung tính trong hạt cà phê, nên nước giàu ion Na+ không có lợi cho chiết xuất. Vì vậy, nếu mục đích là để chiết xuất hầu hết các thành phần hương vị trong cà phê, thì nước giàu Mg2+ là phù hợp nhất. Nếu mục đích là để đạt được sự cân bằng hương vị tốt nhất cho một loại cà phê rang nhạt (light) nhất định, thì cả Ca2+ và Mg2+ cho thấy hiệu quả cao hơn – nhưng khả năng tạo cặn cao hơn.
Một số ion khác, như sắt (Fe3+) hoặc nhôm (Al3+) thường bị bỏ qua, vì hàm lượng cho phép của chúng trong nước uống phải rất thấp (theo tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới, WHO).
Loại nước trên minh họa bên dưới có độ cứng chung (GH) là 2, vì có hai đơn vị Canxi/ Magiê trong đó. Nó có độ cứng tạm thời là 1, bởi vì sau khi đun nóng, chỉ có một đơn vị bicarbonate (HCO3-) liên kết với một đơn vị Canxi (hoặc Magiê) để tạo thành cặn kết tủa (limescale). Đơn vị Magiê (hoặc Canxi) còn lại là độ cứng vĩnh viễn, vì nó không hình thành cặn vôi và còn lại sau khi đun sôi – cùng với nhiều ion khác trong nước.
—
Trong ví dụ này, độ kiềm được thể hiện tương đương với độ cứng tạm thời, vì có đủ Ca2+ và Mg2+ để phản ứng với HCO3–và tạo thành limescale. Đây là trường hợp của hầu hết nước uống tự nhiên – độ kiềm và độ cứng carbonate (hay độ cứng tạm thời) là hoàn toàn giống nhau. Vì vậy phép đo độ cứng carbonate cũng cho bạn biết độ kiềm của nước. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, để xác định độ cứng carbonate, ta thường so sánh tổng độ cứng và độ kiềm, cái nào thấp nhất trong hai cái sẽ xác định điều này. Lý do là vì cả độ cứng chung và độ kiềm đều cần thiết để tạo cặn. Nói cách khác, chỉ một trong hai không thể tạo thành cặn mà không có cái kia.
Ngày nay, hầu hết các quốc gia đều sử dụng các đơn vị tương đương để đo lường độ cứng của nước. Điều này có nghĩa là hàm lượng của các loại ion (ví dụ: Ca2+, Mg2+, HCO3-) được biểu thị bằng khối lượng tương đương của kết tủa mà chúng có thể tạo thành.
Thông thường, giá trị độ cứng của nước được biểu thị bằng ppm Canxi carbonate (trong đó ppmlà viết tắt của part per million- tức là phần triệu, tương đương với miligam/lit (mg/l). Nói một cách đơn giản, nó là số lượng tính bằng miligam của CaCO₃ trong 1 lít nước. Theo Ủy ban Thống kê & Tiêu chuẩn của Hiệp hội Cà phê Đặc sản (SCA), nước pha cà phê tiêu chuẩn nên có độ cứng trong phạm vi 50-175 ppm CaCO₃. Nghĩa là trong một lít nước, lượng kết tủa CaCO3 có thể tạo thành là trong khoảng 50-175mg.
