— Разработал в 1887 году химическую, «гидратную», теорию растворов (гидраты — соединения водорода с другими химическими элементами), явившуюся одной из основ современной теории растворов.
— Изучал зависимость объёмов газов и жидкостей от температуры и давления и вывел в 1874 году общее уравнение состояния идеального газа (Закон Менделеева-Клапейрона), связывающее объём и давление газа с его массой и температурой — основное соотношение газодинамики.
— Открыл (в 1860 году) существование критической температуры (критическая температура — наибольшая температура, при которой возможно существование жидкости в состоянии равновесия с паром. Отметим, что имеющее важнейшее промышленное значение
сжижение газов осуществимо только при его охлаждении ниже критической температуры. Критическая температура — это также тем<пература перехода некоторых проводников в сверхпроводящее состояние).
— В области метрологии разработал физическую теорию весов, точнейшие приёмы взвешивания и основал Главную палату мер и весов.
— В 1890-91 годах предложил способ получения нового вида бездымного пороха (пироколлоидного) и организовал его производство.
— В 1876 году указал на важность изучения влияния высокой температуры на нефть, заложив основы такого важнейшего технологического процесса, как крекинг нефти, процесс получения лёгких моторных топлив из тяжёлых нефтепродуктов.
— В 1888 году впервые высказал идею подземной газификации угля.
— Неоднократно указывал на необходимость рационального использования природных богатств страны и применения химии в различных отраслях хозяйства. В частности, уделял внимание вопросам применения химических удобрений в сельском хозяйстве.
— Разрабатывал проблемы орошения почв в районе нижней Волги, улучшения судоходства на реках России.
— Занимался проблемами освоения Арктики.
— Научно обосновал в своей диссертации «О соединении спирта <с водой» (1865) процесс получения водки и стал родоначальником нового направления в науке — алкоголиметрии.
Д. И. Менделеев — автор более чем 500 научных трудов по химии, физике, метрологии, воздухоплаванию, экономике, народному просвещению, народонаселению и др.
Вл. Орлов в книге об Александре Блоке («Гамаюн», М., 1980) так характеризует Д. И. Менделеева: «Химия и физика, гидродинамика и технология, разведка нефти и угля, бездымный порох и маслобойное дело, мука, крахмал, вазелин и винокурение, производство стекла и техника земледелия, освоение пути через Северный полюс и полёт в одиночку на воздушном шаре для наблюдения солнечного затмения, таможенный тариф и разоблачение спиритизма, реформа фабрично-заводской промышленности и народного просвещения, великолепное презрение к чинам, званиям и наградам, равное обращение и с министром, и с мужиком, мгновенная вспыльчивость и быстрая отходчивость, увлечение русской живописью и бульварными романами с кражами и убийствами, шахматы, неизменная толстейшая папироса собственной закрутки и столь же неизменный крепчайший чай свежей заварки — это всё Менделеев».
В честь Д. И. Менделеева учреждены премии АН СССР (теперь России) за выдающиеся заслуги в области работ по физике и математике, его имя носят учебные заведения, научные общества, в том числе Российское химическое общество, ВНИИ метрологии, Санкт-Петербургский химико-технологический институт, учебный институт в Москве, гигантский, в полторы тысячи километров протяжённости, подводный хребет в Северном Ледовитом океане, город на Каме, посёлок под Москвой, улица в Москве, вулкан на Курильских островах, лунный кратер, станция московского метрополитена, научно-исследовательское судно для океанографических исследований, 101-й химический элемент и минерал — менделеевит.
Русскоязычные учёные-шутники иногда спрашивают: «А не еврей ли Дмитрий Иванович Менделеев, уж больно странная фамилия, не от фамилии ли "Мендель" она произошла?»
Ответ на этот вопрос чрезвычайно прост: «Все четыре сына Павла Максимовича Соколова, священника села Тихомандрица Вышневолоцкого уезда, учились в Тверской духовной семинарии, но по окончании её только один из них — Тимофей — сохранил фамилию отца. Остальным трём братьям по обычаям тех лет фамилии придумали учителя. Василий стал Покровским, Александр — Тихомандрицким, а Иван — Менделеевым. "Фамилия Менделеева дана отцу, когда он что-то выменял, как соседний помещик Менделеев менял лошадей и пр.", — вспоминает Дмитрий Иванович» (Г. Сергеев, «Менделеев», М., «Молодая гвардия», 1974).
Родился Дмитрий Иванович (1834 год) в старинном русском городе Тобольске, в семье директора гимназии Ивана Павловича Менделеева и был последним, семнадцатым ребёнком. «Детей было всего 17, а живокрещённых 14», — писал в своих биографических заметках Дмитрий Иванович (во времена разгула демократии в России в такое даже трудно поверить!).
Отец Дмитрия Ивановича работал в Тобольске после окончания Петербургского Педагогического института и женился на Марии Дмитриевне Корнильевой, происходившей из рода именитых купцов, которые в 1789 году открыли первую в Тобольске типографию.
В год рождения последнего ребёнка Иван Павлович ослеп и оставил службу, а все заботы о семье легли на мать — Марию Дмитриевну, которая после переезда всех в село Аремзянское стала управлять небольшим стекольным заводом, принадлежавшим её брату и выпускавшим аптекарскую посуду.
В 1847 году после смерти Ивана Павловича мать с детьми переехала в Москву, где (несмотря на настойчивые попытки) поступить в Московский университет Дмитрий Менделеев не мог, так как по правилам тех времён выпускник гимназии мог поступить в университет только своего округа, а Тобольская гимназия относилась к Казанскому округу.
После трёхлетних хлопот Менделеев поступает в Петербурге (1850 г.) в Главный педагогический институт на физико-математический факультет. В Петербурге после смерти матери (1850) и сестры (1852) Д. И. Менделеев остаётся один.
В институте Д. И. Менделеев полюбил химию, но «после первого же года вступления в него со мной приключилось кровохарканье, которое продолжалось во всё остальное время моего там пребывания», — отмечает он в своей книге «Заветные мысли». Врачи квалифицируют заболевание как туберкулез в открытой форме и считают, что дни его сочтены, «он подолгу лежал в институтском изоляторе и много читал, стремясь не отстать от курса. Институтский врач однажды, думая, что больной спит, бросил: "Этот уже не поднимется"» (Р. Баландин, предисловие к книге Д. И. Менделеева «К познанию России», М., 2002)
Но всё это не помешало Д. И. Менделееву закончить в 1855 году отделение естественных наук физико-математического факультета с золотой медалью.
Уже его первая, ещё студенческая работа, была опубликована в научном журнале по горному делу (химических журналов тогда в России ещё не было). В ней Д. И. Менделееву удалось добавить к уже известным новые сведения о поведении изоморфных (изоморфизм — способность веществ, аналогичных по химическому составу и кристаллической форме, давать соединения переменного состава, так называемые смешанные кристаллы) кристаллов, что впоследствии нашло продолжение в его исследованиях растворов, заложивших основу целого направления в русской и мировой химии.
После окончания института Менделеев уезжает (как сказали бы в советское время — по распределению) в Крым, простившись с сестрами Лещёвыми — падчерицами инспектора Тобольской гимназии П. Ершова — автора «Конька-Горбунка» (одна из трёх сестёр впоследствии стала его женой).
С большим трудом Менделеев попадает на приём к знаменитому русскому хирургу Н. И. Пирогову (вспомним, в это время шла Крымская война, и у Пирогова не было времени для приёма штатских пациентов), который обнаружил у него болезнь сердца, не представляющую особой опасности — порок сердечного клапана. "Это был врач! " — много раз в своей жизни восхищённо повторял Менделеев, вспоминая Пирогова» (О. Писаржевский, «Дмитрий Иванович Менделеев», «Молодая гвардия», 1949).
Затем следует работа в Одессе, а после защиты магистерской диссертации он получает звание приват-доцента в Петербургском университете.
В 1859 году по рекомендации своего учителя — «дедушки русской химии» А. А. Воскресенского — Д. И. Менделеев едет в заграничную командировку в Германию, Францию и Италию.
После первых месяцев поездки Д. И. Менделеев решает остаться в Гейдельберге (Германия), где работали известные химики и существовала многочисленная русская колония.
В Гейдельберге работал в то время прославленный немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899), известный своими исследованиями в области неорганической, аналитической и физической <химии. Он изобрёл угольно-цинковый гальванический элемент, с помощью которого получил металлические магний, литий, кальций, стронций и барий, разработал методы газового анализа. Совместно с Р. Кирхгофом заложил основы спектрального анализа и открыл цезий и рубидий, а также создал ряд лабораторных приборов, среди которых была и газовая горелка (носящая его имя).
Недолгая работа Д. И. Менделеева показала, что в прославленной бунзеновской лаборатории нет необходимых ему приборов, что даже весы «куда как плоховаты», что «все интересы этой лаборатории, увы, самые школьные». И Дмитрий Иванович устраивает собственную домашнюю лабораторию, заказав ряд точных приборов в Германии и во Франции, куда он специально для этого выезжал.
В Гейдельберге Д. И. Менделеев открыл температуру абсолютного кипения (через 10 лет получившую в работах Эндрюса название критической температуры), исследовал капиллярность — процесс, в котором проявляется действие сил сцепления, по которым, как считал Менделеев, можно судить о свойствах атомов, об их сходствах и различиях. Менделеев показал, что пар, нагретый до температуры абсолютного кипения, никаким повышением давления невозможно превратить в жидкость.
Но, сделав это открытие, Д. И. Менделеев начинает интересоваться уже другой проблемой — коэффициентом расширения тел.