Nước là thành phần quan trọng nhất trong cà phê vì nó chiếm 98% trong thức uống. Nhưng nước hiếm khi “chỉ là nước”. Mặc dù hoàn toàn trong suốt nhưng vẫn có một lượng lớn chất rắn hòa tan trong (hầu hết) các nguồn nước của chúng ta. Do vậy, dù một loại nước thỏa mãn yêu cầu về chất lượng để uống, nó có thể không gây hại cho sức khỏe của bạn nhưng vẫn có thể chứa một số chất vô cơ khiến cà phê của bạn có vị nhạt hoặc thậm chí là không tốt.
Điều này bắt nguồn từ chính cấu tạo của nước. Ở cấp độ phân tử, nước có một sự sắp xếp phân cực – hai nguyên tử hydro với điện tích dương ở một bên và một nguyên tử oxy mang điện tích âm ở mặt kia. Điều này làm cho nó trở nên siêu hấp dẫn đối với nhiều loại phân tử có tính phân cực. Ngược lại, nó hầu như không hòa tan bất kỳ hợp chất không phân cực nào (như chất béo trong cà phê). Nếu nước được đun nóng, tất cả các phân tử của nước sẽ bắt đầu chuyển động nhanh chóng, khiến nó trở thành một dung môi thậm chí còn hiệu quả hơn. Vì vậy, trong điều kiện chiết xuất có áp suất cao và/hoặc nhiệt độ cao, hoặc trong thời gian tiếp xúc lâu, độ hòa tan của các hợp chất không phân cực cũng tăng lên đáng kể.
Từ vô số các chất rắn hòa tan (vô cơ và cả hữu cơ), các chất xử lý nước (ví dụ clo, được thêm vào các đường ống nước chính để duy trì các tiêu chuẩn chất lượng vi sinh). Cho đến các chất có sẵn từ hệ thống cấp nước, bao gồm cả những vi sinh vật v.v… Trong đó, những khoáng chất (chất vô cơ) có trong nước sẽ làm nên một khái niệm cơ bản nhất mà hầu như tất cả chúng ta đều từng đọc, hoặc nghe qua – đó là “nước cứng” hoặc “độ cứng của nước”.
Trong minh họa bên dưới, phân tử muối ăn hay Natri clorua (NaCl) được tạo thành từ các nguyên tử có điện tích bằng nhau, Natri (Na+) và Clorua (Cl-). Khi muối (hoặc một khoáng chất khác) hòa tan trong nước, các ion tách ra (phân ly) và lan truyền trong nước. Do vậy, khi muối ăn hòa tan trong nước không còn tồn tại dưới dạng hợp chất; thay vào đó nó tồn tại dưới dạng các ion Natri (Na+) và Clorua (Cl-) riêng lẻ hòa tan trong nước.
Vì ion từ các chất rắn hòa tan trong nước (hoặc các phân tử, nguyên tử) tạo ra khả năng dẫn điện của nước. Do đó, người ta hay sử dụng máy đo độ dẫn điện (Electrical conductivity, viết tắt EC), để xác định giá trị tương đối của lượng chất hoà tan trong nước.
Việc chuyển đổi độ dẫn điện thành tổng chất rắn hòa tan (Total dissolved solids, viết tắt là TDS) chỉ đưa ra ước tính sơ bộ về lượng chất rắn hòa tan trong một mẫu nước, mà không chứa bất kỳ thông tin nào về hàm lượng cụ thể của các ion trong nước. Thông thường, khi nhiệt độ thay đỗi, mỗi 1°C, phép đo độ dẫn điện (và TDS) thay đổi khoảng 2-4%.
Bây giờ, hãy bắt đầu với hơi nước – trong khí quyển, vì “hơi nước” về cơ bản là H2O tinh khiết, nhưng ngay sau khi nước bắt đầu ngưng tụ và tạo thành các giọt, nó bắt đầu hấp thụ carbon dioxide (CO2), kết hợp với nước tạo thành axit carbonic. Quá trình này làm cho nước có tính axit nhẹ, vì vậy nước mưa thường có độ pH từ 5.7 trở xuống.
Acid carbonic là một acid yếu. Do vậy nó gần như không tồn tại được lâu và dễ phân hủy theo phương trình sau:
H2O + CO2 ↔ H₂CO₃
Trong chu trình tự nhiên, nước mưa (có tính axit) sẽ thấm sâu xuống đất để theo các dòng nước ngầm di chuyển qua lớp đá khoáng (CaCO₃, MgCO₃, hoặc cả hai), hòa tan một phần khoáng chất của nó và do đó thu được các ion Magiê (Mg2+), Canxi (Ca2+), như vậy chúng ta có “nước cứng”. Trong số này, Canxi từ đá vôi là một trong những khoáng chất cứng phổ biến nhất có trong nước. Lượng khoáng chất hòa tan không chỉ phụ thuộc vào thành phần của các loại đá khoáng mà còn phụ thuộc vào thời gian nước tiếp xúc và kích thước hạt của các loại đá khoáng đó. Các hạt đá khoáng nhỏ hơn có tổng diện tích bề mặt lớn hơn, chúng sẽ hòa tan dễ dàng hơn, làm tăng lượng chất rắn hòa tan. Nước ngầm có nhiều khoáng chất hơn nước sông, hồ vì đã tiếp xúc với chất khoáng trong thời gian dài. Ngoài ra, dù nước mưa có tính axit nhưng sẽ không thể hòa tan các loại đá silicat như fenspat hoặc thạch anh, vì những khoáng chất này có khả năng chống hòa tan (phong hóa) cao hơn nhiều.
Thuật ngữ “độ cứng” ban đầu xuất phát từ tác dụng của các khoáng chất trong nước với xà phòng. Các khoáng chất trong nước cứng liên kết với xà phòng và tạo thành váng không hòa tan, khó tạo bọt hơn và làm cho xà phòng kém hiệu quả hơn trong việc giặt giũ. Ở một góc độ nào đó, người ta nhận thấy rằng nếu đun sôi nước trước khi sử dụng, nước sẽ bớt cứng hơn, giúp việc giặt giũ dễ dàng hơn. Độ cứng có thể được loại bỏ bằng cách đun sôi được gọi là “độ cứng tạm thời”, độ cứng còn lại, cho dù bạn đun sôi nước đến đâu, được gọi là “độ cứng vĩnh viễn”.
Nhìn chung, một loại nước bất kỳ có thể được chia thành ba phần như trên mình hoạ
- Ở phía bên trái, tất cả các ion được phân tách thành các ion dương (cation) ở phần trên và các ion âm (anion) ở phần dưới. Trong mô tả này, hai phần ion dương và âm luôn có kích thước bằng nhau, và điều này là do bất kỳ nước nào cũng phải đáp ứng tính trung hòa về điện tích. Nói cách khác, lượng điện tích dương (từ cation) phải bằng lượng điện tích âm (từ anion).
- Phần giữa của biểu đồ hiển thị các khí hòa tan, trong trường hợp này là carbon dioxide và axit carbonic của nó.
- Và cuối cùng, phần bên phải hiển thị các thành phần không tích điện của nước, cụ thể là silicat hoặc các hợp chất hữu cơ mà trong hầu hết các trường hợp, chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước.
Độ pH của hầu hết nước máy bị ảnh hưởng mạnh bởi lượng CO2 hòa tan dư thừa trong khoảng 5-20 mg/l. Ở trạng thái cân bằng với khí quyển, nước sẽ chỉ chứa khoảng 0.4 mg/l CO2 hòa tan.
