Trong môi trường tự nhiên, nước luôn nhận được thêm các ion từ nhiều chất mà nó hòa tan. Nếu nước hòa tan một axit, nó làm cho các nguyên tử tạo nên axit phân ly (vỡ ra) và khi làm như vậy, nước thu được thêm các hydronium (ion hydro: H3O+). Hiện tượng này được gọi là hiện tượng tự phân ly của nước và được minh họa qua sơ đồ sau:
2H2O ↔ H3O+ + OH–
Vì nước là một môi trường trung tính nên trong nước chứa chính xác một lượng ion hydronium (H3O+) hay còn gọi đơn giản là (H+) và ion hydroxit (OH−). Và bằng thực nghiệm, người ta đã xác định được ở 25oC, nồng độ của [H+] = [OH−] = 10-7 mol/l. Vì đây là một hằng số (chúng ta chấp nhận nó như việc nước sẽ sôi ở gần 100oC) nên một dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hydronium cân bằng với hoạt độ của các ion hydroxit) sẽ có pH xấp xỉ 7.
Nếu một dung dịch có giá trị pH nhỏ hơn 7, tức là dung dịch này có dư ion H+và được gọi là có tính axit. Ngược lại, nếu dung dịch nước có pH lớn hơn 7, nghĩa là dung dịch có nhiều ion OH–hơn và được coi là có tính kiềm (còn được gọi là bazơ). Cần lưu ý, đối với thang pH. Vì pH là một thang đo logarit: do đó, một số trên thang đo đại diện cho hệ số mười. Nói cách khác, dung dịch có pH = 5 (nghĩa là có nồng độ [H+]= 10-5mol/l) sẽ có tính axit gấp mười lần dung dịch có pH = 6 (nồng độ [H+] = 10-6 mol/l).
Cà phê thường có độ axit xấp xỉ 5.0 trên thang đo pH. Cà phê có tính axit cao sẽ đạt độ pH từ 4.7 đến 4.8, trong khi có tính axit thấp nằm trong khoảng từ 4.9 đến 5.1. Cà phê Robusta, được chú ý là thiếu axit, và có độ pH thường rơi vào khoảng 5.2-5.5. Ngoài ra, hầu hết mọi người có thể phát hiện sự thay đổi độ pH trong khoảng 0.1.Để tránh cơ chế trung hòa độ axit trong cà phê của nước kiềm,không nên sử dụng các chế phẩm nước kiềm (pH trên 7.0), đặc biệt đối với cà phê có đặc điểm axit tốt, nổi bật.
Một cái bẫy mà nhiều barista hay “sa lầy” trong khoa học của nước, là ghi nhớ sự khác biệt giữa bazơ (một hóa chất có tính kiềm) và độ kiềm của nước. Độ kiềm (alkalinity) – là một thuật ngữ được phát minh bởi các nhà hải dương học (tiên phong bởi nhà khoa học người Đức – Giáo sư Wilhelm Dittmar). Mặc dù độ kiềm chủ yếu là một thuật ngữ được các nhà hải dương học sử dụng, nó cũng được các nhà thủy văn học dùng để mô tả độ cứng tạm thời – như chúng ta đã đề cập.
Do đó, mặc dù chúng có liên quan, nhưng chúng không giống nhau. Độ pH kiềm hoặc pH bazơ hoặc pH lớn hơn 7 cho biết rằng nước có lượng ion H+ ít hơn OH−. Trong khi đó, độ kiềm (alkalinity) của nước đề cập đến khả năng đệm của nó, khả năng chống lại sự axit hoá dung dịch nước – hay còn gọi là tính đệm của nước. Khả năng đệm của nước chủ yếu là do các ion HCO3–, CO32- (ion bicarbonate và carbonat). Những chất này có thể trung hòa axit được thêm vào nước. Đây là cách nó hoạt động:
H2CO3 ↔ HCO3– + H+
Các ion bicarbonate trong nước ở trạng thái cân bằng với axit carbonic. Điều này có nghĩa là các ion bicarbonate liên tục phản ứng qua lại với các ion H+ trong nước để tạo thành axit carbonic. Trong khi đó, axit carbonic trong nước liên tục bị phân hủy để tạo thành ion H+ và bicarbonate (phản ứng theo chiều từ trái qua phải). Bởi vì cả hai phản ứng xảy ra với tốc độ như nhau, nên xem như không có sự thay đổi.
Tuy nhiên, nếu bạn thêm một axit vào nước, tức là bạn đang thêm nhiều ion H+hơn vào hỗn hợp. Điều này làm cho phản ứng sẽ diễn ra từ phải sang trái, hấp thụ một số ion H+được thêm vào. Kết quả là, sự thay đổiđộpHbị”kéolại”domộtsốionH+được sử dụng hết trong phản ứng ngược lại này. Vì tính chất này, chúng ta gọi bicarbonate có tính đệm hay “bộ đệm”.Đến lượt mình, các ion carbonate tiếp tục mang lại trạng thái cân bằng tương tự:
HCO3– ↔ + H+ + CO3–
Trong trường hợp này, các ion carbonate hấp thụ các ion hydro và trở thành bicarbonate; một lần nữa, một số ion H+ được hấp thụ, làm “kéo lại” sự thay đổi pH. Tuy nhiên, carbonate không dễ hòa tan trong nước, do đó, carbonate không ảnh hưởng lớn đến khả năng đệm của nước.
Trên thực tế, bộ đệm kiềm có vai trò quan trọng đối với chiết xuất cà phê – thậm chí còn hơn cả độ cứng. Một lít nước máy trung bình (có độ kiềm 150 ppm CaCO3 và độ cứng toàn phần khoảng 170 ppm CaCO3), điều này cho phép nước máy có khả năng trung hòa 100 lít nước mưa axit ở pH 4.5.
Suy luận tương tự với nước và cà phê, tác động của độ kiềm cao gấp hàng trăm lần so với độ pH trong việc hình thành tính axit cuối cùng của chiết xuất cà phê. Đó là lý do vì sao SCA khuyến nghị phạm vi tổng độ kiềm trong khoảng 40 ppm CaCO3. Trong trường hợp nước có độ kiềm quá cao, các axit trong cà phê (như citric, acetic, CGA, v.v…) sẽ bị loại bỏ bởi bộ đệm pH. Làm cho cà phê trở nên nhạt nhẽo hay còn gọi là phẳng (flat taste). Và khi độ kiềm quá thấp, hương vị cà phê bị biểu hiện lấn át bởi vị chua và đắng gắt từ cà phê.
Chưa hết, khi xét đến tính đệm của nước chúng ta cần quan tâm thêm về tỷ lệ pha (tức tỷ lệ giữa liều lượng cà phê / chiết xuất thu được). Một cốc Ristretto thường có tỷ lệ cà phê : chiết xuất = 1:1.5 Trong khi đó, với các loại cà phê lọc, tỷ lệ này lên đến 1:15. Đây là vấn đề cần xem xét vì rõ ràng với cùng một loại cà phê và loại nước, bạn sẽ cảm nhận rõ vị chua từ Espresso hơn so với một cốc cà phê lọc được trung hòa bởi lượng kiềm lớn gấp 10 lần.
