甲烷（CH₄）与氯气（Cl₂）的反应是化学中一个经典的自由基取代反应，广泛应用于工业生产和学术研究。这种反应在光照或加热条件下进行，通过逐步取代甲烷分子中的氢原子，最终生成一系列氯代甲烷化合物。
当甲烷与氯气混合并暴露于光照或高温环境中时，氯气分子首先发生均裂，产生氯自由基（Cl·）。随后，这些自由基与甲烷分子发生反应，夺取甲烷中的氢原子，形成一氯甲烷（CH₃Cl）和一个新的氢自由基（H·）。这一过程可以表示为：Cl· + CH₄ → CH₃· + HCl。接下来，产生的甲基自由基（CH₃·）会继续与氯气分子反应，进一步生成二氯甲烷（CH₂Cl₂）、三氯甲烷（CHCl₃）以及四氯化碳（CCl₄）。反应式依次为：CH₃· + Cl₂ → CH₂Cl· + HCl；CH₂Cl· + Cl₂ → CHCl₂· + HCl；CHCl₂· + Cl₂ → CCl₃· + HCl；CCl₃· + Cl₂ → CCl₄ + HCl。
整个反应过程中，每一步都会释放出氯化氢（HCl），因此实验中通常能观察到大量白烟的产生。此外，由于自由基反应的特点，不同产物的比例取决于反应条件，如温度、压力和时间等。例如，在较低温度下，反应倾向于停留在较低级的氯代物阶段；而在较高温度下，则更容易生成更高级别的氯代物。
甲烷与氯气的反应具有重要的工业意义，其产物如一氯甲烷可用作制冷剂、溶剂及合成其他化学品的原料；二氯甲烷则常用于清洗剂和涂料稀释剂等领域；而四氯化碳曾被用作灭火剂，但因其对环境的危害已被限制使用。然而，该反应也存在一定的局限性，比如副产物较多且难以完全控制，同时部分产物可能具有毒性或污染性，这要求我们在实际应用中采取相应的安全措施和环保策略。
综上所述，甲烷与氯气的反应不仅展示了自由基化学的魅力，也为现代化工产业提供了丰富的物质基础。随着科学技术的进步，未来或许能找到更加高效、绿色的方法来优化这一经典反应，使其更好地服务于人类社会的发展需求。