Кальцієва жорсткість – це концентрація розчиненого у воді кальцію, виражена в мг/л CaCO₃. Кальцій – лужноземельний метал із двома валентними електронами у зовнішньому кільці. При втраті цих електронів кальцій перетворюється на позитивно заряджений іон Ca²⁺. Для стабілізації стану катіон кальцію шукає негативно заряджений аніон (карбонат (CO3₂^–), бікарбонат (HCO₃^–), сульфат (SO₄^2-), фосфат (PO₄^3-) або силікат (SiO₄^4-)). Однак, серед усіх аніонів у воді переважна концентрація за аніонами карбонату та бікарбонату. Кальцій швидко зв’язується з карбонатом-аніоном або бікарбонатом-аніоном, формуючи карбонат кальцію (CaCO₃) або бікарбонат кальцію (Ca(HCO₃)₂).

Бікарбонат кальцію розчинний у воді, однак, при підвищенні рН, бікарбонат перетворюється на нерозчинний карбонат кальцію та вуглекислий газ.

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O.

Незважаючи на присутність у розчиненому стані у воді гідрокарбонату кальцію, кальцієва жорсткість вимірюється в міліграмах на літр нерозчинного карбонату кальцію. Причина цього в молекулярній масі карбонату кальцію 100 г/моль і щільності води 1000 г/л. Ці два значення дозволяють легко розрахувати концентрацію мг/л, який метрично є еквівалентом частинок на мільйон (ppm). Для визначення контцентрації катіону кальцію можна скористатися співвідношенням: 50 мг/л CaCO₃ = 20,04 мг/л Ca²⁺. Таким чином 20,04 мг/л Ca²⁺ обумовлює жорсткість води 1 мг-екв/л.