甲烷（CH₄）与氯气（Cl₂）之间的取代反应是一种典型的自由基取代反应，广泛应用于化学工业中。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，最终生成一系列的氯代甲烷化合物。

反应机理

1. 引发阶段：反应通常在光照或高温下开始，光照可以提供能量使氯气分子发生均裂，产生氯自由基（Cl·）。这个过程是整个反应的关键步骤。

\[ Cl_2 + hν → 2Cl· \]

2. 链增长阶段：接下来，产生的氯自由基会攻击甲烷分子，形成一氯甲烷（CH₃Cl）和一个新的甲基自由基（CH₃·）。

\[ CH_4 + Cl· → CH_3· + HCl \]

\[ CH_3· + Cl_2 → CH_3Cl + Cl· \]

3. 链终止阶段：随着反应的进行，自由基可能会相互结合，形成稳定的化合物，从而结束反应链。

\[ 2Cl· → Cl_2 \]

\[ 2CH_3· → C_2H_6 \]

\[ CH_3· + Cl· → CH_3Cl \]

产物

根据反应条件的不同，可能生成不同的氯代甲烷产物，包括一氯甲烷（CH₃Cl）、二氯甲烷（CH₂Cl₂）、三氯甲烷（CHCl₃）和四氯化碳（CCl₄）。这些产物在工业上有着广泛的用途，如溶剂、制冷剂以及农药等。

应用

- 工业应用：这些氯代甲烷化合物被用于制造塑料、溶剂、制冷剂等。

- 实验室研究：在有机合成中作为重要的中间体，帮助科学家合成更复杂的有机分子。

安全性

需要注意的是，在进行此类反应时必须严格控制反应条件，并采取适当的安全措施，因为氯气具有毒性，且部分产物如四氯化碳对环境有害。

总之，甲烷与氯气的取代反应不仅是理解自由基反应机理的重要例证，也是化工生产中不可或缺的一部分。