경도(Water Hardness)

일시 경도와 영구 경도의 차이와 그 차이는 커피 추출에 어떤 영향을 미칠까

by Barista Hustle

Water Hardness - Barista Hustle

Hardness is a measure of the amount of certain minerals in water. The amount and ...

Barista Hustle - BHLearn / 2020-09-19

경도는 물 속에 포함된 미네랄의 양을 측정하는 단위이다. 커피 추출에 사용하는 물에 포함된 미네랄의 양과 비율에 따라 에스프레소 머신에 미치는 스케일의 영향만큼 커피의 플레이버에도 극적인 영향을 미칠 수 있다. 이 글에서는 몇 가지 경도와 관련된 몇 가지 중요한 개념들을 소개한다.

'경도'라는 단어는 본래 비누에 물에 포함된 미네랄이 미치는 영향으로부터 유래한 단어이다. 경수(hard water)에 포함된 미네랄들은 비누의 성분들을 붙잡고 녹지 않는 찌꺼기(Scum)를 형성하고, 거품이 형성되는 것을 더 어렵게 하며, 때를 빼는 것을 더 어렵게 만든다. 요점은 사람들은 사용 전 물을 끓이면, 물은 덜 세지고, 씻기도 더 쉬워졌다는 것을 알았다. 일시 경도(temporary hardness)는 물을 끓여서 제거된 경도 성분을 가리키지만 여전히 물에는 경도 성분이 남아 있으며, 그 남은 성분은 물을 얼마나 오래 끓이던 그대로 있다. 이를 영구 경도(permanent hardness)라 부른다.

물에 포함된 미네랄은 물에 녹아 이온들, 전하를 가진 입자 형태로 존재한다. 고체 미네랄은 양 전하와 음 전하가 합쳐진 양과 같다. 예를 들어 소금, 염화나트륨의 경우 나트륨 이온(Na⁺)과 염화(Cl^–) 이온으로 구성되어 있다.(즉, 고체 상태는 양 이온과 음 이온이 합쳐진 총량이라고 볼 수 있다.) 물에 미네랄이 용해될 때, 이온들은 물 내부에서 쪼개지고, 퍼진다.(아래 이미지 참조)

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경도는 양 전하를 가진 이온들에 의해 발생한다. 더 강한 전하를 가진 이온들은 마치 비누의 음 이온 성분들과 상호작용하는 것처럼 이 미네랄들이 커피의 풍미를 추출하는데 도움을 줄 수 있다.

칼슘(Ca²⁺) 과 마그네슘(Mg²⁺)은 우리가 마시는 거의 대부분의 경도 성분을 구성한다. 칼슘과 마그네슘 두 가지 이온 모두 2가 양 전하를 가지고 있기 때문에 그들은 매우 유사하게 반응한다. 그래서 우리는 경도에 대해 이야기할 때, 서로 호환될 수 있는 것으로 언급되곤 하는데, 그 이유는 철이나 알루미늄과 같은 이온들(3가 양이온)의 경우 기술적으로는 추출에 기여할 수 있지만 물 속에 포함된 양이 너무 소량이기 때문에 일반적으로 논외로 취급한다.

따라서 총 경도, 흔히 GH 혹은 일반 경도(general hardness)라고 불리는 경도 수치는 물 속에 포함된 칼슘과 마그네슘 양 전하의 양을 측정한 수치이다. 왜냐하면 이 이온들의 전극이 커피의 풍미를 구성하는 분자들을 추출하는데 도움을 주기 때문이다. 즉 GH 수치는 물의 추출력을 가리키는 지표이다.

기억해야 할 점은 양 전하를 띈 이온들이 음 전하를 띈 이온들과 서로 짝을 짓는다는 것이다. 물에서 경도 성분과 가장 짝을 잘 이루는 성분이라면 중탄산 이온(HCO₃^–)이다. 우리가 중탄산염 이온이 포함된 물을 끓일 때, 칼슘 및 마그네슘과 중탄산 이온이 서로 반응하여 라임스케일(탄산 칼슘, 탄산 마그네슘)이라 불리는 고체가 형성된다. 이것이 일시 경도를 야기시키는 것이다. 흔히 물을 끓인 후, 주전자의 바닥면에 보이는 하얀 것들이 그것이다. 영구 경도는 어떤 중탄산 이온과도 반응할 수 없는 형태로 존재하는 칼슘, 마그네슘의 농도를 영구 경도라고 한다.

https://www.baristahustle.com/wp-content/uploads/2020/09/Hardness-Diagram-01.jpg : 일시 경도와 영구 경도. 위 삽화의 물에는 2개의 총 경도를 가지고 있다.(칼슘, 마그네슘 양 이온이 2개가 있기 때문이다.) 즉, 총 경도를 구성하는 칼슘, 마그네슘이 2개가 있지만 반응할 수 있는 중탄산 이온이 1개이기 때문에 1개의 라임스케일을 형성할 수 있고, 이는 일시 경도를 구성한다. 하지만 하나의 결합되지 않은 칼슘(혹은 마그네슘) 양이온을 오른쪽에서 볼 수 있는데 이것은 물을 끓여도 남아 있는 이온이므로 영구 경도에 포함된다고 볼 수 있다.

우리가 사용하는 물에서 경도를 측정할 때, 대개 두 가지 기준을 사용한다. 총 경도(GH)와 KH이다. GH는 위에서 언급했고, KH의 경우는 독일식 경도로 영어로 표현하면 Carbonate Hardness 즉, 탄산 경도를 가리킨다. 탄산 경도는 일시 경도와 정확하게 같다. 그것은 중탄산 이온들과 짝을 이루는(라임스케일을 형성할 수 있는) 모든 경도를 의미하기 때문이다.

그러나 일반적으로 KH 테스트는 실제 탄산 경도를 측정하지 못한다. KH 시약 테스트는 단지 물 속에 포함된 중탄산염 양(또한 '알칼리니티'라고도 불린다.)을 측정한다. 중탄산 이온의 양 즉 알칼리니티는 커피의 산미를 완충하여 커피를 너무 사우어(Sour)하지 않게 하는데 기여한다. 하지만 너무 많은 알칼리니티는 커피를 플랫(Flat)하게 만들 것이다.

지금까지의 예에서 알칼리니티는 일시 경도와 정확히 같았다.(위 삽화를 가리킴) 왜냐하면 중탄산 이온 모두와 반응할 수 있는 칼슘과 마그네슘이 충분했기 때문이다. 이것은 우리가 마시는 물의 일반적인 상황이다. 알칼리니티와 탄산 경도 혹은 일시 경도는 정확하게 같다고 볼 수 있다.

그러나 몇 가지 경우에서는 중탄산 이온의 양이 칼슘과 마그네슘의 양보다 더 많을 수 있다. 이것은 물이 연해지는 결과로 이어지거나 소금물이 식수에 들어갔을 경우 발생할 수 있다. 이 경우에 중탄산 이온 모두와 반응할 수 있는 칼슘과 마그네슘의 양이 충분하지 않기 때문에 이 물을 끓일 경우 칼슘과 마그네슘 즉 총경도는 모두 제거되고 따라서 일시 경도는 총경도와 같아진다. 이 경우 영구 경도는 전혀 없는 상태이다.

이 경우에 KH 시약 테스트는 총경도보다 훨씬 더 높은 결과를 보여줄 수 있다. KH 시약 테스트의 결과가 GH보다 높을 때, 그리고 탄산 경도와 일반 경도가 실제로 같을 때이다. KH 시약 테스트의 수치는 당신에게 탄산 경도가 아닌 실제 알칼리니티와 같다.

https://www.baristahustle.com/wp-content/uploads/2020/09/Hardness-Diagram-02.jpg : 알칼리니티가 일반 경도(총 경도)보다 높을 때, 모든 경도는  일시 경도 혹은 탄산 경도와 같다. 이 경우에 경도 성분과 결합되지 못한 알칼리니티가 남아 있는 모습을 볼 수 있다. KH 시약 테스트 키트는 알칼리니티를 2로 측정하지만 탄산 경도는 실제 1이다. 왜냐하면 라임스케일을 형성하기 위한 경도는 오직 하나이기 때문이다.

위와 같은 경우는 수도물에서 거의 찾아보기 힘든 사례이다. 그렇지만 우리 중 대다수는 우리의 물을 테스트할 때, 이 경우를 거의 생각하지 않는다. 대부분 식용수에서는 KH = 알칼리니티 = 일시 경도이기 때문이다. 영구 경도는 단지 남아 있는 경도를 말한다. 따라서 영구 경도=GH-KH이다.

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결론적으로 커피 추출에서 흔히 고려되는 세 가지 기준이 있는데 그것은 총경도(GH, 일반 경도), 일시 경도 혹은 탄산 경도 그리고 알칼리니티이다. 총 경도는 물에서 커피의 플레이버를 추출하는데 도움을 준다. 일시 경도는 물 속에 라임스케일을 형성할 수 있는 경도가 얼마나 많은지를 알려 준다. 마지막으로 알칼리니티는 커피로부터 산미를 얼마나 없앨 것인지를 결정한다. 

만일 KH가 GH보다 낮다면, KH 시약 테스트는 우리에게 일시 경도와 알칼리니티를 둘 다 알려주는 것이다. 왜냐하면 KH는 라임스케일을 형성할 총경도가 얼마나 많은지를 결정하기 때문이다. 만일 KH가 GH보다 높다면 KH는 단지 알칼리니티를 측정한 것이고, 일시 경도는 총 경도와 같다고 볼 수 있다. 왜냐하면 남아 있는 KH 경도 성분이 홀로(중탄산 이온 없이) 라임스케일을 형성할 수 없기 때문이다.

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