В конце 1863 г. Д.И. Менделеев получает должность профессора химии в Технологическом институте и переселяется в казенную квартиру при институте. В лабораториях Технологического института Менделеев блестяще проводит исследование водноспиртовых растворов, которое представляет в качестве свой докторской диссертации ученому совету физико-математического факультета университета 31 января 1865 г.
Диссертация называлась «Рассуждение о соединении спирта с водой». Ее защита состоялась 4 февраля 1865 г.
С участием Менделеева как редактора в 1862-1869 гг. вышло 9 выпусков «Технической энциклопедии», которая начала выходить как перевод «Технологии по Вагнеру», а затем была значительно переработана и дополнена, прежде всего, самим Д.И. Менделеевым. В январе 1865 г. он работает в комиссии по составлению проекта правил для получения степени инженера-технолога. Следует обратить внимание на этот факт биографии Менделеева: роль технолога он ставил исключительно высоко. Он даже считал, что крупные инженеры за выполненные ими выдающиеся технические и технологические работы могут быть избраны в Академию наук. Одновременно с преподаванием технической химии Менделеев как химик-практик занимается получением химических продуктов из нефти. Эти работы он начал в августе 1863 г., когда совершил первую поездку в Баку по приглашению одного из нефтепромышленников.
Д.И. Менделеев придавал особое значение нефти как сырью для химической переработки. Его мысль о недопустимости использования нефти только в качестве топлива, высказанная в одной из его экономических статей, была подкреплена многими его исследованиями по вопросам происхождения, добычи, переработки нефти. Он сконструировал специальные аппараты для непрерывной перегонки нефти, развивал мысль о целесообразности постройки нефтепроводов, специальных нефтеналивных судов и цистерн, а также идею об организации нефтеперерабатывающих заводов в верхнем и среднем течении Волги, на одном из которых, в поселке Константиново под Ярославлем, он сам успешно работал.
Работа в области технической химии подготовила Д.И. Менделеева настолько, что он был назначен техническим экспертом от России на Всемирной выставке в Париже в 1867 г.. Результатом его пребывания на этой выставке стала книга «О современном развитии некоторых химических производств в применении к России и по поводу Всемирной выставки 1867 года». В 1865 г. Менделеева избирают профессором университета по кафедре технической химии, а затем – после ухода А.А. Воскресенского – он переходит на кафедру химии и приступает к чтению неорганической химии.
24 ноября 1866 г. Д.И. Менделеев поселился в казенной квартире университета, непосредственно примыкающей к помещениям химических лабораторий. Теперь его стремление к целенаправленной работе, к наиболее рациональному сочетанию научной и преподаватель кой деятельности было как никогда близко к осуществлению. Именно здесь при чтении лекций студентам у его появилась мысль написать «основы химии», в процессе работы над которыми им был открыт периодический закон.
Следует подчеркнуть, что деятельность Д.И. Менделеева представляла единство, гармонию не только научной и преподавательской, но и общественной работы. Это подтверждается, в частности, историей возникновения Русского химического общества.
Первые вести о необходимости объединения сил русских химиков мы находим еще в 1862 г., когда в номере газеты «Русский инвалид» от 17 августа была напечатана заметка о возможности организации в Петербурге химического общества. Д.И. Менделеев был назван в ней в числе известнейших химиков.
Велика была роль Н.Н. Зинина и других представителей старшего поколения русских химиков (Воскресенский, Фрицше, Энгельгардт, Ильенков): в их лабораториях работала талантливая молодежь.
Непосредственно рождение общества подготовили собрания химиков у Д.И. Менделеева в течение 1868 г. Устав общества был утвержден 26 октября, а первое организационное собрание состоялось 6 ноября 1868 г. Председательствовал на собрании Д.И. Менделеев. Президентом общества был избран академик Н.Н. Зинин, однако организатором и душой общества был, безусловно, Д.И. Менделеев. На одном из первых заседаний общества 6 марта 1869 г. Н.А. Меншуткин от имени отсутствовавшего Менделеева сделал сообщение «О соотношении свойств с атомным весом элементов». Это событие вошло в историю мировой науки – открыт периодический закон.
Русское химическое общество, так же как Техническое и Вольное экономическое, в деятельности, которых Д.И. Менделеев принимал активное участие, выполняли совместно с университетами ту авангардную роль в развитии науки и промышленности, были тем штабом науки, какие, по мысли Д.И. Менделеева, должна была стать уже в то время Петербургская академия наук.
Конец 60-х годов был периодом творческих дерзаний Д.И. Менделеева в нескольких областях науки и техники. В поле его зрения оказалась и агрохимия. В 1869 г. Менделеев уже имел возможность подвести первые итоги опытов, которые проводил в приобретенном им в 1865 г. имении Боблово Клинского уезда Московской губернии, называемом им «моя сельскохозяйственная станция». Проведенные под его руководством химические исследования почв и продуктов, опытных полей Симбирской, Смоленской, Московской и Петербургской губерний не только заслужили восхищение специалистов XIX в., но и, по отзывам современных ученых, не имели себе равных и в последующие сто лет. Однако Д.И. Менделеев не ограничился анализом образцов почв в химической лаборатории университета. Он изучал применение удобрений, машин, рациональных систем земледелия на полях в Боблове. За пять лет ему удалось удвоить урожаи зерновых, и, когда крестьяне соседних деревень спрашивали его с любопытством и восхищением, «талант» у него или «счастье», он не без гордости отвечал: «Талант, братцы, талант». «В таланте заслуги больше» - так объяснял он свой ответ друзьям.
Служба Д.И. Менделеева на благо отечественной промышленности началась, как он сам отмечал, с забот о промышленности сельскохозяйственной. И это было не случайно, потому что он предвидел важность и трудности ее развития на сто и более лет вперед, когда говорил: «Мы живем в эпоху, когда богатство и сила народов определяются преимущественно индустриею, а наши дети или внуки, вероятно, доживут до того, что богатство и вся сила народная будут определяться умелым сочетанием индустрии с сельским хозяйством».
70-е годы – годы активной научной и педагогической работы Д.И. Менделеева в Петербургском университете. Уже через три года после того, как он стал руководить кафедрой технической химии и химической лабораторией, ему, молодому профессору, было поручено подготовить отчет о деятельности университета.
Он сопоставил имевшиеся в его распоряжении статистические данные и изучил наиболее важные работы, выполненные как в самом университете, так и за его пределами.
Одним из важных результатов деятельности Менделеева в университете стал выход в 1868-1873 гг. первого и второго, а в 1877 г. третьего изданий «Основ химии», заменивших устаревший учебник химии Г.И. Гесса и ставших настольной книгой студенчества на последующие по крайней мере пятьдесят лет.
Осенью 1872 г. Д.И. Менделеев приступает к исследованию упругости газов. Работы продолжались вплоть до 1881 г. Однако основные результаты, приведшие к изменению и поправкам известного закона Мариотта, были получены уже в начале 70-х годов. Д.И. Менделеев и его помощники нашли, что при давлениях ниже 10 в пятой степени Па газы расширяются менее, чем это следовало из закона Бойля- Мариотта. Исследования субсидировались Русским техническим обществом и были необходимы для обороны страны. Газы изучались не только при малых, но и при больших давлениях, что было необходимо для совершенствования огнестрельного оружия: в армии имелись случаи разрывов стволов орудий. Опыт исследования упругости газов пригодился Д.И. Менделееву впоследствии при разработке технологии производства бездымного пороха.
Друзья Д.И. Менделеева знали, что по средам после трех часов дня его всегда можно было застать дома. Сначала посетителями менделеевских «сред» были в основном химики и преподаватели университета. Постепенно круг участников расширялся. Здесь чествовали первых русских женщин-ученых – Софью Васильевну Ковалевскую, Юлию Всеволодовну Лермонтову и других. Д.И. Менделеев был деятельным сторонником женского образования в России. С 1870 по 1877 гг. он постоянно читает лекции на Владимирских женских курсах, а в 1878 г. при его активном содействии открылись Бестужевские курсы, давшие высшее образование сотням женщин, стремившихся к знаниям.
В квартире Менделеева устраивались также художественные «среды», на которых бывали И.Е. Репин и В.В. Стасов, А.И. Куинджи и Н.А. Ярошенко, И.Н. Крамской и В.Е. Маковский, И.И. Шишкин и И.Я. Гинцбург. Вспоминая об этих вечерах, их участники отмечали, что «среды» Дмитрия Ивановича носили особый характер – обывательские мелочи исчезали. По простоте обстановки «среды» напоминали студенческие собрания: чай, горы бутербродов. Все чувствовали себя легко и свободно.
Встречи художников-передвижников и Менделеева были встречами единомышленников. И художники, и Менделеев ясно сознавали, что прогрессивные, гуманистические цели искусства и науки, в конечном счете, едины.
Д.И. Менделеев регулярно посещал выставки художников, часто бывал в музеях и, находясь за границей, никогда не упускал случая осмотреть художественные коллекции. Ценнейшая коллекция репродукций была собрана им самим.
В октябре 1874 г. академики Н.Н. Зинин, А.М. Бутлеров, А.Н. Савич и О.И. Сомов вносят предложение об избрании Д.И. Менделеева в адъюнкты Академии наук по химии. Однако одиннадцатью голосами против восьми это предложение было отклонено. Лишь в ноябре 1876 г. Д.И. Менделеев был избран членом- корреспондентом Академии наук, и то не по химии, а по физике. Академиком Д.И. Менделеев так и не был избран. В 1880 г. его кандидатура была забаллотирована. Отношение руководства академии к Менделееву определялось в кабинете царских сановников, не пожелавших допустить профессора-вольнодумца на научный Олимп.