在化学领域中，甲烷（CH₄）与氯气（Cl₂）的反应是一个经典的自由基取代反应案例。这种反应通常发生在光照条件下，例如紫外线照射，能够引发一系列复杂的化学变化。反应过程中，甲烷分子中的氢原子逐渐被氯原子取代，生成不同的氯代甲烷产物。

具体来说，反应的第一步是氯气分子在光的作用下分解成两个氯自由基（Cl·）。这些自由基会攻击甲烷分子，将其中的一个氢原子置换为氯原子，同时自身形成一个甲基自由基（CH₃·）。随后，这个甲基自由基可以继续与其他氯气分子反应，逐步生成一氯甲烷（CH₃Cl）、二氯甲烷（CH₂Cl₂）、三氯甲烷（CHCl₃）以及四氯化碳（CCl₄）。此外，在特定条件下，还可能生成少量的多氯代副产物。

总的反应可以表示为：

\[ CH₄ + Cl₂ \xrightarrow{\text{光}} CH₃Cl + HCl \]

随着反应的进行，氯气和甲烷的比例会影响最终产物的组成。如果氯气过量，可能会导致完全取代，形成四氯化碳；而在氯气不足的情况下，则主要产生一氯甲烷等初级产物。

这一系列反应不仅展示了自由基反应机制的重要性，同时也广泛应用于工业生产中，如制造有机溶剂和其他化学品。通过控制反应条件，科学家们能够有效地调控产物的选择性和收率，从而满足不同的应用需求。

总结来看，甲烷与氯气之间的反应既简单又复杂，它不仅揭示了化学反应的基本原理，也为现代化学工业提供了重要的技术支持。