Trước hết, chúng ta cần nhớ lại khái niệm về phản ứng thế. Phản ứng thế là phản ứng hóa học trong đó nguyên tử của một nguyên tố trong phân tử hợp chất hữu cơ được thay thế bằng nguyên tử của một nguyên tố khác. Phản ứng thế của ankan với halogen (như clo) thường xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng hoặc nhiệt độ.

Bây giờ, chúng ta hãy xem xét từng phương án:

Phân tích phương án A: CH4 + Cl2 –(as)–> CH2Cl2 + H2
Trong phương án này, có hai nguyên tử hidro trong CH4 đã bị thay thế bởi hai nguyên tử clo để tạo thành CH2Cl2. Đồng thời, hai nguyên tử hidro đã bị tách ra và kết hợp với nhau tạo thành H2. Tuy nhiên, phản ứng thế của metan với clo xảy ra từng bước một, mỗi bước thay thế một nguyên tử clo vào vị trí của một nguyên tử hidro. Do đó, phương án A không biểu diễn đúng sản phẩm chính của phản ứng ban đầu.

Phân tích phương án B: CH4 + Cl2 –(as)–> CH3Cl + HCl
Trong phương án này, một nguyên tử clo đã thay thế một nguyên tử hidro trong phân tử CH4, tạo thành metyl clorua (CH3Cl). Nguyên tử hidro bị tách ra kết hợp với nguyên tử clo còn lại tạo thành axit clohidric (HCl). Đây là bước phản ứng thế đầu tiên và sản phẩm chính khi clo phản ứng với metan dưới điều kiện ánh sáng.

Phân tích phương án C: CH4 + Cl2 –(as)–> CH2 + 2HCl
Phương án này cho ra sản phẩm là CH2 và 2HCl. CH2 không phải là một phân tử bền và không phải là sản phẩm của phản ứng thế metan với clo theo cơ chế thông thường.

Phân tích phương án D: 2CH4 + Cl2 –(as)–> 2CH3Cl + H2
Phương án này cho thấy tỉ lệ mol giữa metan và clo là 2:1, và sản phẩm là 2CH3Cl và H2. Tuy nhiên, sản phẩm H2 không được tạo thành trong phản ứng thế này. Thay vào đó, nguyên tử clo thay thế nguyên tử hidro và nguyên tử hidro bị thay thế sẽ kết hợp với nguyên tử clo còn lại để tạo thành HCl.

Dựa trên phân tích, phản ứng biểu diễn đúng bước thế đầu tiên của metan với clo dưới tác dụng của ánh sáng là:

CH4 + Cl2 –(as)–> CH3Cl + HCl

Do đó, phương án B là đáp án chính xác.

Kết luận:
Phản ứng thế của metan với clo là phản ứng dây chuyền, xảy ra từng bước một dưới tác dụng của ánh sáng. Sản phẩm ban đầu thu được là metyl clorua (CH3Cl) và axit clohidric (HCl).

Đáp án đúng là B.

Chúc các em học tốt!