氯气（Cl₂）与甲烷（CH₄）在光照条件下发生自由基取代反应，生成多种氯代甲烷和氯化氢（HCl）。以下是反应的关键信息整理：
一、反应机理与过程
自由基链式反应
反应通过自由基机理进行，分为链引发、链增长、链终止三个阶段：链引发：Cl₂在光照下分解为Cl·自由基。链增长：Cl·自由基夺取甲烷中的H原子生成CH₃·自由基，后者继续与Cl₂反应生成一氯甲烷（CH₃Cl）和新的Cl·自由基，循环进行后续取代。链终止：自由基结合生成稳定产物（如Cl₂、CH₃Cl等）。分步取代反应
反应依次生成四种氯代甲烷和HCl，方程式如下：第一步：CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl（气体）第二步：CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl（液态油状物）第三步：CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl（液态油状物）第四步：CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl（液态油状物）。产物特点最终产物为混合物，包含一氯甲烷（气态）、二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）、四氯化碳（液态）及HCl。HCl溶于水后形成盐酸，导致溶液导电性增强，并有NaCl晶体析出。
二、实验现象
气体变化：Cl₂的黄绿色逐渐变浅至消失。液体变化：试管内壁附着油状液滴（氯代甲烷）。气压变化：气体体积减少，液面上升。其他现象：生成白雾（HCl遇水蒸气）及水槽中析出NaCl晶体。
三、反应条件与特点
条件：需光照或高温（非暗处），直接混合常温下不反应。反应类型：自由基取代反应，属于有机反应中的连续多步反应。不可合并方程式：各步反应的速率和程度不同，需分步书写。
四、应用与注意事项
工业应用：用于生产氯代甲烷（如氯仿、四氯化碳），作为溶剂或化工原料。安全提示：需避光储存反应物，避免剧烈反应；产物中CHCl₃和CCl₄需注意毒性。
总结：甲烷与氯气的取代反应是典型的自由基链式反应，产物复杂且需分步书写方程式，实验现象直观体现了气体消耗和液态产物的生成。
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