在有机化学中，甲烷（CH₄）与氯气（Cl₂）的反应是一个经典且重要的取代反应案例。这种反应通常在光照条件下进行，会生成一系列不同的产物，具体取决于反应条件和氯气的用量。

首先，当甲烷与氯气在光照下混合时，会发生链式反应。初始阶段，氯气分子会在光的作用下分解为氯自由基（Cl·）。这一过程可以表示为：

\[ Cl_2 \xrightarrow{\text{光}} 2Cl· \]

随后，这些氯自由基会攻击甲烷分子中的氢原子，将其取代为氯原子。这一过程会产生一氯甲烷（CH₃Cl）和一个氢氯自由基（HCl）。反应方程式如下：

\[ CH_4 + Cl· \rightarrow CH_3· + HCl \]

接下来，产生的甲基自由基（CH₃·）会进一步与剩余的氯气分子反应，形成二氯甲烷（CH₂Cl₂）。这个过程可以重复多次，直至所有可能的取代位置都被氯原子占据，最终生成四氯化碳（CCl₄）或六氯乙烷（C₂Cl₆）等更复杂的化合物。

完整的反应链包括以下主要步骤：

1. 初始链引发：\[ Cl_2 \xrightarrow{\text{光}} 2Cl· \]

2. 链增长阶段：\[ CH_4 + Cl· \rightarrow CH_3· + HCl \]

\[ CH_3· + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl· \]

3. 可能的进一步取代：\[ CH_3Cl + Cl· \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl \]

需要注意的是，在实际操作中，由于不同取代产物的能量状态不同，某些产物可能会优先形成。此外，控制反应条件（如温度、压力、溶剂等）也可以影响最终产物的比例。

总结来说，甲烷与氯气的反应是一个复杂但非常重要的化学过程，广泛应用于工业生产和实验室研究中。通过了解其反应机理和条件控制，我们可以更好地掌握这类取代反应的特点及其应用价值。