有机化学教科书的出版，使门捷列夫赢得了很高的声誉。人们以仰慕的眼光注视着他，可这位青年化学家却觉得压力越来越大。回想起当年到辛菲罗波尔去教书的情景，他又陷入痛苦的思索：怎么能使俄罗斯摆脱落后的痛苦呢？他认为，若想使俄罗斯独立地向前发展，那么，她首先应该及早地注意培养自己的柏拉图和牛顿！所以，他在化学研究方面，决心成为一位伟大的科学家，在教书育人方面，努力成为优秀的教师，培养出更多更好的人才。
是的，门捷列夫的教学效果确实出色，不愧为一名优秀的化学教育家。大学生们非常尊敬和爱戴他。他的一位学生曾经写道：“凡是听过门捷列夫讲课或报告的人，都清楚地记得当时听众的那种异乎寻常的情绪。讲台上站着一个身材魁伟、背微驼、留着长须和长鬈发的人。他的目光闪闪发亮，声音低沉有力，言辞充满激情；讲课的内容经常涉及力学、物理学、天文学、天体物理学、宇宙起源论、气象学、地质学、动植物的生理学和农业学等各个方面，同时也涉及各门技术科学，包括航空学和炮兵学。”另一位学生则以抒情的语言描绘说：“欢呼声和掌声像春雷一般震天撼地。这简直是一场暴雨，一阵狂风。全体同学都高声欢呼，欣喜若狂，尽情表达自己的颂扬和热忱……只要看到这种欢迎门捷列夫走进教室时的热烈场面，就会体会到他是一位伟大的科学家和伟大的教育家。他影响了许多人，并激发了所有接触过他的人的智慧之光。”
门捷列夫之所以在学生中间享有如此崇高的威望和声誉，是因为他努力实践自己的愿望——“把生命的宝贵时光和全部精力都贡献给了教育事业”。
其实，门捷列夫的智慧之光不仅普照了化学教育事业，而且也照亮了科学研究的道路。他一边从事科学研究，教授大学的化学课；一边又努力将化学工艺知识运用到化工实践，指导祖国化工生产的发展。1861年，负责翻译德文版《工艺学手册》的一位彼得堡大学工艺学教授去世后，门捷列夫接替了他的工作，负责主编完成了这本内容相当丰富的工艺学手册。手册名义上是译作，实际上是门捷列夫根据他所研究的俄国工业经验中的许多资料独立写成的。1862年，《工业学手册》一出版，就产生了强烈的反响。
1863年春天，门捷列夫获得科学院为他的《有机化学》颁发的捷米多夫奖金。这时大学还没有复课，门捷列夫与费奥兹娃·尼基吉奇娜·列谢娃结婚后，就一起去欧洲度蜜月……
回到彼得堡之后，学校刚刚恢复正常秩序，新婚的门捷列夫高兴地走上教学岗位。一天，一位工业巨头、石油工厂主科罗列夫慕名来到彼得堡大学，邀请门捷列夫到巴库和苏拉罕现场指导工作。
“煤油的需要量越来越大。我的工厂不算大，可是，我这里的原料却是大量的。尽管我做了一切努力，但损耗仍很大。我希望，在您了解了这儿的条件之后，能告诉我可以采取什么措施。”科罗列夫请求道。
在科罗列夫盛情邀请下，门捷列夫来到巴库和苏拉罕，考察了近1个月的时间。他亲眼目睹了油田区：石油是用非常落后的技术从浅井中汲出来的，油井里的咸水往往比石油还多。油田虽然归国家所有，但以每期4年包租给私人。包租人毫不关心油田的基本建设和采油技术的改进，只知强盗似地汲油，盛满皮囊和木桶，运到轮船上贩卖牟利。煤油的运送手段更为简陋，因而损耗甚大。于是他建议科罗列夫修建一条通向工厂的输油管，并铺设一条由工厂通向码头的输油管。此外，他还建议用专门的船只运送煤油……
回到彼得堡后，他感慨万端，奋笔疾书，写出了一部关于发展俄国石油工业的著作，极力主张改革石油工业，并提出了制造油轮和巨大的输油管等建议。
1863年底，门捷列夫被聘为彼得堡大学有机化学常任副教授，年薪1200卢布。
“列谢娃，这是一个胜利。”他高兴地告诉妻子。
“当然，米佳，尽管薪金不高，然而它是固定的收入。现在，这一点对我们来说很重要。”
“问题不仅在于钱。教育部不喜欢我，认为我是一个不安分守己的人，可是终究还是签发了任命书。我们达到了目的。你知道，我不是一个迷信的人，可是我觉得，这是你给我带来的幸福。又是奖金，又是任命……”
“不，米佳，这归功于你自己。我们今后还有更美好的时光，只是你不要过于劳累了。”
几个月后，1864年初，门捷列夫又获得了彼得堡工艺学院教授的职位。学院还为教授们安排了住房。现在，门捷列夫的生活有了保障，不用过分操心家庭生活了，于是他便着手撰写博士论文。
“米佳，我真羡慕你，你简直是个非凡的人。你既编写《技术百科辞典》，又在3个学院讲课，还撰写关于玻璃生产的论文……也许，还有些我不知道的事吧？”鲍罗丁坐在门捷列夫的实验台旁，满怀热情地望着自己的朋友。
“是的，还有博士学位论文。你发现了吗？我有一个想法，把水溶解于酒精或把酒精溶解于水中，它们就会形成化合物。”
“这些溶液都是简单的混合物呀！”鲍罗丁惊奇地表示异议。
“看来，不是这样。如果它是简单的混合物，则溶液的量应该与酒精和水的原始数量相等，可是，它却少了些。”
“这真有意思！”
两人为此讨论起来……
其实，门捷列夫关于酒精与水的化合物的研究，已进行将近一年的实验了。
当时，科学界对于溶液的本质究竟是什么争论不休。大多数人认为，每种化合物都有完全确定的比例，不因制取的方法不同而改变，像水中的氢与氧的重量比总是1暶8.而组成溶液的溶质和溶剂，却没有确定的比例，亦即不遵循定比定律，所以，溶液只能是混合物而不是化合物。只有少数科学家不同意这一看法，认为溶液不是简单的机械混合物，可是他们又提不出充足的论据。
门捷列夫为了弄清溶液的本质，他从酒精溶液入手，进行了一系列深入细致的研究。他发现，当酒精与水混合后，其体积会比原来两者的体积之和小些。经过多次测量试验，他进一步发现：当无水酒精（纯酒精）与水的重量比为46暶54时，溶液的体积缩得最小。这一发现的意义不在于46和54正好合成一个整数百分比，而在于酒精的分子量是46，54则恰好是3倍的水的分子量。也就是说，当1个酒精分子和3个水分子组成酒精溶液时，溶质和溶剂结合得最为充分与完全。门捷列夫早在他的硕士学位论文《论比容》中就曾指出，当两种或两种以上的单质形成化合物时，如果反应的产物分子数小于参加反应的反应物分子总数，比容就减少，亦即产生体积压缩现象。于是，他便由此提出了一种新的学说，后来这种新学说成了“溶液水化理论”的基础。根据这一理论，酒精溶解于水并不是机械地混合，而是形成了某种化合物；溶解过程是化学过程，物质在水中溶解时，发生了一定的化合作用。
1865年1月31日，门捷列夫顺利地通过了博士论文答辩，获得博士学位。两个月后，他被任命为彼得堡大学化学工程学代理教授；秋天，被正式任命为教授。二十多年后，他在深入研究不同温度和浓度的283种物质溶液的基础上，出版了一部专著《水溶液比重之研究》，进一步丰富了溶液水化理论，阐明了溶液就是化学交互作用的一般情况，就是一定的原子化合物，就是同含有结晶水的化合物相类似的化合物的观点。这大大促进了物理化学的发展，为近代溶液理论的建立奠定了重要基础。
