在化学领域中，甲烷（CH₄）与氯气（Cl₂）的反应是一个经典且重要的自由基取代反应案例。这种反应通常发生在光照条件下，是研究有机化学反应机理的重要基础之一。

当甲烷与氯气混合并暴露于紫外光下时，氯分子会因能量吸收而分解成两个氯原子。这些高活性的氯原子能够迅速与甲烷中的氢原子发生取代反应，逐步将甲烷中的氢原子替换为氯原子。这一过程可以分为多个步骤进行：

1. 引发阶段：氯分子吸收光能后分裂为两个氯原子。

\[

Cl_2 \xrightarrow{\text{光}} 2Cl\cdot

\]

2. 链增长阶段：氯原子攻击甲烷分子，形成一氯甲烷（CH₃Cl）并释放出一个新的氢原子。

\[

CH_4 + Cl\cdot \rightarrow CH_3\cdot + HCl

\]

接着，这个自由基继续与其他氯分子反应，生成二氯甲烷（CH₂Cl₂）、三氯甲烷（CHCl₃）以及四氯化碳（CCl₄），同时释放更多的氯原子：

\[

CH_3\cdot + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl\cdot

\]

3. 终止阶段：当两个自由基相遇时，反应停止。例如，两个氯原子结合形成稳定的氯分子。

\[

Cl\cdot + Cl\cdot \rightarrow Cl_2

\]

最终产物可能包括一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷以及四氯化碳等多种化合物，具体比例取决于反应条件如温度、压力及氯气的过量程度。

此反应具有实际应用价值。例如，四氯化碳曾被广泛用于灭火剂和溶剂；然而，由于其对臭氧层的危害，目前已被限制使用。此外，该反应也为理解其他自由基化学反应提供了理论支持。

需要注意的是，在实际操作过程中应严格控制反应条件以避免副反应的发生，并妥善处理生成物以减少环境污染。因此，深入研究甲烷与氯气的反应机制不仅有助于丰富科学知识体系，还能促进相关技术的发展与优化。