Kältemittel transportieren Enthalpie (Wärmeenergie) von dem Kühlgut zur Umgebung. Der Unterschied zum Kühlmittel ist, dass ein Kältemittel in einem Kältekreis dies entgegen einem Temperaturgradienten tun kann, so dass unter Aufwendung von zugeführter Energie (meist Volumenänderungsarbeit in Form von Kompression) die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes. Dagegen ist ein Kühlmittel lediglich in der Lage, in einem Kühlkreis die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren.

Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als „Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.“ bzw. nach DIN 8960 Abs. 3.1 als „Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt.“ Die Definitionen nach DIN beziehen sich auf Kompressions-Kältemaschinen. Als Zustandsänderung im Sinne der Norm ist eine Änderung des Aggregatzustandes gemeint (siehe Kältemaschine).

Kältemittel werden in geschlossenen oder offenen Kälteanlagen als Arbeitsmedium eingesetzt. Während bei Kältemitteln im engeren Sinne die Verdampfungsenthalpie durch Verdampfung bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aufgenommen wird, geschieht dies in einer Kältemischung chemisch durch eine Mischungs- oder Lösungsreaktion.

Ammoniak, Kohlenstoffdioxid und Wasser, aber auch Kohlenwasserstoffe und Luft werden, im Gegensatz zu halogenierten Kohlenwasserstoffen, auch als natürliche Kältemittel bezeichnet. Halogenkohlenwasserstoffe sind Substanzen, die auch in der Natur vorkommen. Sie werden sowohl von Mikroorganismen und Pflanzen als auch infolge vulkanischer Aktivität in nicht unerheblichen Mengen freigesetzt. Natürliche Kältemittel tragen nicht zum Abbau der Ozonschicht bei und haben nur einen vergleichsweise geringen direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt.

Nomenklatur Historische Entwicklung der Nomenklatur Die Entwicklung zur Nomenklatur von Kältemitteln wird dokumentiert in dem Band 3 der Buchserie Advances in Fluorine Chemistry. Sie wurde erstmals von Henne, Midgley und McNary vorgeschlagen. Der genaue Zeitpunkt der Einführung der Nomenklatur dieser drei Wissenschaftler, die alle Mitarbeiter der Firma DuPont gewesen sind, wird dabei nicht erwähnt. Ursächlich für deren Einführung war der Wunsch, ihre Studien mit Halogenkohlenwasserstoffen zu vereinfachen. Die Nomenklatur wurde auch durch DuPont selbst genutzt, was letztlich auch zu den bekannten Markennamen mit gleicher Nummerierung für die Kältetechnikindustrie führte. Heutige Markennamen stehen in ihrer Nummerierung nur noch selten in Bezug zu dieser Nomenklatur. Die ersten zwei Jahrzehnte nach der Einführung synthetischer Kältemittel hatte DuPont quasi ein Monopol für synthetische Kältemittel inne. Die Fluorchemie wuchs zu dieser Zeit rasant, einmal durch die Herstellung von Kältemitteln, Lösungsmitteln und Treibmitteln, aber auch durch die kurz nach den Kältemitteln entdeckten Fluorpolymere, insbesondere PTFE, welches eine zentrale Rolle als Dichtungsmaterial in der Uran-Anreicherung im Manhattan-Projekt spielen sollte. Während dieser Zeit wurde die Identifizierung der Verbindungen mit der entsprechenden Codenummer in der Kältetechnikindustrie fest verankert. Infolgedessen sahen es die späteren Hersteller dieser etablierten Produkte als vorteilhaft an, das Nummernsystem des Marktführers DuPont mit dessen Zustimmung in ihre eigenen individuellen Markensysteme zu integrieren. Verbrauchergruppen erkannten natürlich schnell den Vorteil dieser Vereinheitlichung, und durch die Vermittlung von ASHRAE erklärte man sich allgemein bereit, das Nummernsystem ab Juni 1957 zu übernehmen. Bis 1958 firmierte ASHRAE dabei noch als ASRE. Diese Entscheidung wurde später von der ASA, heute ANSI, unter dem Titel ASA/ASRE B79.1 - Numerische Bezeichnung von Kältemitteln im September 1960 genehmigt. Mittlerweile hatten Hersteller weltweit diesen Standard akzeptiert. Im Oktober 1960 empfahl ein Komitee der ISO die Annahme desjenigen Teils der Nomenklatur, der für Halogenkohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffe gilt. Die Ausgabe der Norm B79.1 wurde dann 1978 von ASHRAE in die Norm 34 umnummeriert. Die erste offizielle ISO-Norm in Form der ISO 817 wurde 1974 veröffentlicht. Die erste deutsche Norm DIN 8960 wurde 1977 eingeführt, zuletzt 1998 aktualisiert und gilt als veraltet.

Benennung Die allgemeine Benennung der Kältemittel (DIN 8960 Abs. 6) erfolgt durch den Buchstaben R und nachfolgend drei (Sonderfälle: zwei oder vier) Ziffern z, also in der Form R-zzz, unter Umständen auch mit angehängten Buchstaben b in der Form eines Kurzzeichens R-zzzbb.

Das „R“ steht für Refrigerant, englisch für Kältemittel.

Die Ziffernfolge „zzz“ lässt Rückschlüsse auf die Summenformel zu. Die dritte Ziffer von links ergibt die Gruppenzuordnung.

Die Buchstabenfolge „bb“ bezeichnet Variationen in der Strukturformel.

Ein weiterer (kürzerer) Algorithmus, der Aufschluss auf die chemische Zusammensetzung gibt, ist im Artikel Halogenkohlenwasserstoffe wiedergegeben.

Benennung organischer Kältemittel Die Benennung der organischen Kältemittel mit der Summenformel CcHhFfClx erfolgt nach dem Schema (DIN 8960 Abs. 6.1)

R-

Die erste Ziffer ist um 1 kleiner als die Anzahl c der Kohlenstoffatome, die zweite Ziffer ist um 1 größer als die Anzahl h der Wasserstoffatome und die dritte Ziffer ist gleich der Anzahl f  der Fluoratome je Molekül; die Anzahl der Chloratome x = 2c + 2 − h − f  ist gleich der Anzahl der restlichen Bindungen.

Ein Molekül des Kältemittels R-123 zum Beispiel besteht daher aus

c = 1 + 1 = 2 Kohlenstoffatomen, h = 2 – 1 = 1 Wasserstoffatomen und f  = 3 Fluoratomen x = 2c + 2 − h − f = 2 · 2 + 2 − 1 − 3 = 2 Chloratome;

die restlichen zwei Bindungen werden durch zwei Chloratome aufgefüllt. Die Summenformel ist demnach C2HF3Cl2, es handelt sich also um Dichlortrifluorethan.

Sonderfälle

Falls die Anzahl c der Kohlenstoffatome 1 ist, ist c – 1 = 0. Die erste Ziffer wird in diesem Fall nicht ausgeschrieben, und nach dem Buchstaben R folgen unmittelbar die zweite und die dritte Ziffer. Das Kältemittel R-22 (eigentlich R-022) zum Beispiel besteht daher aus

c = 0 + 1 = 1 Kohlenstoffatomen, h = 2 – 1 = 1 Wasserstoffatomen und f  = 2 Fluoratomen;

die eine restliche Bindung wird durch ein Chloratom aufgefüllt. Die Summenformel ist also CHF2Cl, es handelt sich also um Chlordifluormethan.

Falls die Verbindung Brom enthält, wird der Benennung der Großbuchstabe B angefügt, gefolgt von der Anzahl der Bromatome. Das Kältemittel R-13B1 zum Beispiel besteht aus

c = 0 + 1 = 1 Kohlenstoffatomen, h = 1 – 1 = 0 Wasserstoffatomen und f  = 3 Fluoratomen;

die eine restliche Bindung wird durch ein Bromatom aufgefüllt (Die Anzahl eventuell vorhandener Chloratome wird um die Anzahl der Bromatome verringert). Die Summenformel ist demnach CF3Br, es handelt sich also um Bromtrifluormethan.

Falls es sich um eine ungesättigte organische Verbindung handelt, wird vor die erste Ziffer noch eine 1 eingefügt. Das Kältemittel R-1150 zum Beispiel besteht daher aus

c = 1 + 1 = 2 Kohlenstoffatomen, h = 5 – 1 = 4 Wasserstoffatomen und f  = 0 Fluoratomen;

die eine restliche Bindung ist Teil der Doppelbindung. Die Summenformel ist also C2H4, es handelt sich also um Ethen.

Falls es sich um zyklische Kohlenwasserstoffe handelt, wird vor der Kennzahl noch ein C eingefügt. So wird zum Beispiel Cyclooctafluorbutan, Summenformel C4F8, als R-C318 bezeichnet.

Da lediglich die Ziffern 0 bis 9 zur Verfügung stehen, funktioniert dieses Schema nur bis zu Kohlenwasserstoffen mit maximal 8 Wasserstoffatomen je Molekül.

Für Butan, Summenformel C4H10, mit seinen 10 Wasserstoffatomen ist daher ein anderes Schema erforderlich. Solche Verbindungen werden in der Gruppe R-6xx aufgeführt (DIN 8960 Abs. 6.3.1). Die Nummerierung is dabei willkürlich.

Angehängte Kleinbuchstaben werden bei den Verbindungen mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen verwendet, um Isomere zu unterscheiden (DIN 8960 Abs. 3.5 und 6.1). Je alphabetisch höher der oder die angehängten Buchstaben, desto größer die Asymmetrie des Isomers. Bei Verbindungen mit zwei Kohlenstoffatomen bekommt das symmetrischste Isomer dabei keinen angehängten Buchstaben; so ist zum Beispiel

R-134 1,1,2,2-Tetrafluorethan, R-134a dagegen 1,1,1,2-Tetrafluorethan.

Bei Verbindungen mit drei Kohlenstoffatomen (Propan-Derivate) werden zwei Kleinbuchstaben zur Bezeichnung des Isomers benötigt. Der erste Buchstabe bezieht sich dann auf das zentrale Kohlenstoffatom und wird in der Reihenfolge absteigender Masse der Substituenten (H, F und Cl) vergeben: a b c d e f -CCl2- -CFCl- -CF2- -CHCl- -CHF- -CH2- Der zweite Buchstabe bezeichnet auch hier die Asymmetrie des Isomers, d. h. wird nach steigender Massendifferenz zwischen den Substituenten an den terminalen Kohlenstoffatomen vergeben; das symmetrischste Isomer erhält den Buchstaben a (im Gegensatz zur Bezeichnungsweise bei den Ethan-Derivaten, bei denen das symmetrischste Isomer keinen Buchstaben erhält).

Im speziellen Fall der Hydrofluorolefine werden ebenfalls zwei Kleinbuchstaben angehängt, jedoch bezeichnet der erste der beiden hier den Substituenten am zentralen Kohlenstoffatom gemäß der Regel: x = Cl, y = F und z = H. Der zweite Kleinbuchstabe beschreibt die Substitution am endständigen Methylen-Kohlenstoffatom gemäß der obenstehenden Tabelle.

Zeotrope Gemische von Kohlenwasserstoffen werden unter R-4xx, azeotrope Gemische von Kohlenwasserstoffen unter R-5xx zusammengefasst (DIN 8960 Abs. 6.2). Kältemischungen werden einfach durchnummeriert, d. h. ein Rückschluss auf die Zusammensetzung ist nicht möglich. Angehängte Großbuchstaben werden hier verwendet, um unterschiedliche Mischungsverhältnisse zu kennzeichnen.

Benennung anorganischer Kältemittel Die Benennung der Anorganischen Verbindungen erfolgt nach dem Schema (DIN 8960 Abs. 6.3.2)

R-7zz

Die erste Ziffer, 7, bezeichnet die Gruppe der Anorganischen Verbindungen; die beiden folgenden Ziffern geben die (ganzzahlig gerundete) Molmasse an. Das Kältemittel R-717, NH3, hat zum Beispiel eine Molmasse von 17 g/mol.

Angehängte Buchstaben werden verwendet, um Stoffe ähnlicher Molmasse zu unterscheiden. So ist zum Beispiel Kohlenstoffdioxid R-744; für das neue Kältemittel Distickstoffmonoxid (Stickoxydul) ist die Bezeichnung R-744A in der Diskussion.

Historische Entwicklung

Als erstes „professionelles“ Kältemittel wurde zunächst Diethylether (R-610) eingesetzt, dann auch Ammoniak (R-717). Ammoniak wird seit über 130 Jahren in Industriekälteanlagen verwendet und gilt als umweltfreundlich, wirtschaftlich und energieeffizient.

Ein Nachteil dieser Kältemittel ist jedoch die physiologische Gefährlichkeit (Lungenschäden; bei Diethylether auch Narkosewirkung). Ammoniak besitzt jedoch einen starken charakteristischen Geruch und ist bereits ab einer Konzentration von 3 mg/m³ in der Luft wahrnehmbar. Die Warnwirkung tritt deshalb lange vor einer gesundheitsschädlichen Konzentration (> 1750 mg/m³) ein. Diethylether ist sehr leicht entflammbar und bildet mit Luft ein explosives Gemisch.