6 сентября 1751г. в публичном собрании Академии Ломоносов выступил с речью, названной им "Словом о пользе химиии". В этой речи в общих чертах содержалась формулировка принципа единства теории и практики, науки и производства. Характеризуя взаимодействие науки и практики, Ломоносов особенно подчёркивал значение химии в исследовании природы и создании "полезных производств". Учёный предвидел ту огромную роль, которую призвана играть химия в практической деятельности людей, их повседневной жизни.

Химия и физика были любимыми науками Ломоносова. В большей степени, чем кто-либо из его предшественников, Ломоносов воедино связял эти две области знания. Он обогатил их экспериментальными открытиями и глубокими теоретическими обобщениями. На основе своих физико-химических исследований русский учёный создавал единую материалистическую картину мира, разрабатывал атомно-кинетическую концепцию строения вещества, выявлял новые закономерности природы, установив всеобщий незыблемый закон природы — закон сохранения материи и движения.

В одной из своих ранних работ, "Элементы математической химии" (1741г.), Ломоносов предложил краткое определение химии, отличное от общепринятых в то время. "Химия — наука об изменениях, происходящих в смешанном теле... — писал он и пояснял далее. — Не сомневаюсь, что найдутся многие, которым это определение покажется неполным и которые будут сетовать на отсутствие начал разделения, соединения, очищения и других выражений, которыми наполнены почти все химические книги, но те, кто проницательнее, легко усмотрят, что упомянутые выражения, которыми весьма многие писатели по химии имеют обыкновение обременять без надобности свои исследования, могут быть охвачены одним словом: смешанное тело. В самом деле, обладающий знанием смешанного тела может объяснить все возможные изменения его и в том числе разделение, соединение и т. д." Таким образом, в этой формулировке предмета химии Ломоносов впервые представляет её в виде науки, а не искусства.

В отличие от своих предшественников Ломоносов широко ставит перед химиками задачу теоретического объяснения химических процессов и явлений, систематизацию всего накопленного за целые столетия экспериментального материала на основе созданной им атомно-кинетической концепции строения материи. Однако задачи химии, по мнению Ломоносова, не должны ограничиваться лишь теоретическими обобщениями и выводами. Развитие химических знаний необходимо направить к решению практических задач, выдвигаемых повседневной практической деятельностью людей.

Сам Ломоносов успешно сочетал свои теоретические разработки в области химии с блестящими экспериментальными исследованиями, направленными как на установление закономерностей науки, так и на решение практических задач производства. Творческий метод Ломоносова состоял в комплексном подходе к решению научных проблем. Для объяснения сущности химических процессов учёный использовал не только закрны физики, но и теоретические выводы механики, математики и других наук.

Разрабытывая теоретические основы химии, Ломоносов и в последующих работах неоднократно подчёркивал значение математики для установления закономерностей химических процессов. В диссертации "О действии химических растворителей вообще" учёный справедливо сетовал на недостаток фактических материалов, позволявших сделать глубоко обоснованные теоеретические выводы по широкому кругу химических проблем. "Хотя имеется великое множество опытов, в достоверности которых мы не сомневаемся, — писал он, — однако мы по справедливости сетуем, что из них можно сделать лишь малое число таких выводов, в которых нашёл бы успокоение ум, изощрённый геометрическими доказательствами".

Ломоносов начал заниматься химическими исследованиями уже в ранний период своей деятельности, будучи студентом Марбургского университета. К сожалению, сохранилось очень мало материалов, характеризующих научную деятельность Ломоносова в 40-х годах после возвращения в Россию. Нет, например, сведений об опытах по получению и исследованию "горючего пара", о которых впоследствии Ломоносов упоминал в диссертации "О металлическом блеске".

Весной 1743г. Ломоносов написал первый вариант своей известной работы "О действии химических растворителей вообще". В исследовании растворов Ломоносов искал подтверждения своей гипотезы об атомно-молекулярном строении вещества. Ломоносов не сомневался, что, исследуя процессы растворимости, он сможет изучить механизмы действия атомов, экспериментально нодтвердить атомно-молекулярную концепцию.

В 1744г., получив необходимые химические препараты, Ломоносов осуществил большую серию экспериментов по растворению металлов в кислотах и солей в воде. Сначала Ломоносов растворял тонкую железную проволоку в азотной кислоте разной концентрации, наблюдая через микроскоп ход растворения металла. Затем он определял количество выделенного при этом газа и его состав. Далее учёный исследовал растворимость гидрата окиси железа и уксуснокислой меди (медной зелени) в азотной кислоте. При этом Ломоносов наблюдал и описал явление, при котором на поверхности металла образуется тонкая защитная плёнка, резко замедляющая процесс коррозии. Продолжая свои исследования растворимости металлов в кислотах, Ломоносов осуществил эксперименты растворения меди в условиях вакуума, изучал специфику растворения в азотной кислоте различных металлов: железа, меди, цинка, серебра, свинца и даже ртути. Иную картину учёный наблюдал при растворении солей в воде. При растворении металлов кислота нагревалась, растворение солей в воде сопровождалось её охлаждением.

Процессы растворения металлов и солей Ломоносов объяснял с механической позиции, характерной для его эпохи. Подобно Р. Бойлю, Ломоносов был уверен в пористой структуре как металлов и солей, так и жидких растворителей. В процессе растворения, по мнению Ломоносова, воздух, содержащийся в порах кислоты, внедряется в поры металла и, соединяясь там со "сгущённым" воздухом металла, приобретает "огромную упругость", ломая металл на мельчайшие частицы, наблюдавшиеся в микроскоп. Избытки "воздуха", образующиеся при взаимодействии кислоты и металла, являются одним из продуктов реакции. Ломоносов не знал тогда, что это был водород, свойства которого были изучены А. Лавуязье через два десятилетия после смерти Ломоносова.

Совсем по-другому объяснял Ломоносов растворение солей в воде. "Когда твёрдые тела делаются жидкими, — писал он, — то частицы их пиходят в более быстрое вращательное движение... Вследствие этого частицы соли отделяются от остальной массы и, сцепляясь с водными частицами, вместе с ними начинают двигаться поступательно и разносятся по растворителю".

В 1754г. Ломоносов составил обширную программу физикохимических исследований процессов растворения солей и изучения природы растворов. Учёный наметил определение растворимости солей в зависимости от температуры и давления, изучение поднятия растворов в капиллярных трубках по сравнению с поднятием воды, микроскопическое исследования растворов, изучение удельного веса различных растворов, определение растворимости солей, исследование растворения в вакууме по сравнению с растворением в воздухе. Сейчас нет возможности полностью оценить результаты выполнения этой широкой программы исследований, т. к. сохранилась лишь малая часть лабораторных журналов с записями Ломоносова.

Ломоносов, занимаясь теоретическими исследованиями, крайне нуждался в их экспериментальном подтверждении, а это можно было сделать только в специальной, хорошо оборудованной химической лаборатории. Уже в январе 1742г. Ломоносов подал руководству Академии Наук первое прошение об учреждении лаборатории. Однако просьба учёного не была удовлетворена. Год спустя Ломоносов возобновил своё ходатайство. Он мотивировал его необходимостью не только разработки химической теории и практики, но и потребностями обучения молодёжи. Но и это ходатайство оказалось безрезультатным. В 1745г. Ломоносов дважды подавал прошения о постройке лаборатории. Он был уверен, что создание экспериментальной базы для химических исследований — дело крайне необходимое.

Ломоносов тщательно продумал и детально разработал планы экспериментальной работы, приложив к своей очередной заявке "Проект об учреждении хиической лаборатории". Ломоносов обращал особое внимание на необходимость тщательной очистки химических реактивов. Одновременно он считал нужным проверять опыты других исследователей, чтобы установить их "справедливость или подлог". Оснований для постановки такой задачи в то время было более чем достаточно.

Программа химических исследований Ломоносова имела большое историческое значение. Ведь в середине XVIII в. специальных научных химических лабораторий в Европе было мало, установившихся общеизвестных способов исследования химических веществ и явлений просто не существовало. Поэтому разработанная Ломоносовым программа экспериментов представляла несомненный интерес. Ломоносов ставил много новых задач, необычных для экспериментальной науки того времени. Он говорил, например, о необходимости сочетать химические опыты с магнитными, оптическими и электрическими, особенно подчёркивал задачу количественных определений, работы "по мере и весу". "При всех упомянутых опытах, — писал учёный, — буду я примечать и записывать не токмо самые действия, вес или меру употребляемых к тому материй и сосудов, но и все окрустности, которые надобны быть покажутся, а в нужных случаях для лучшего изъяснения присовокуплять рисунки".

В октябре того же 1745г. в новом прошении о постройке лаборатории Ломоносов ещё раз напомнил о характере предстоящих в ней работ. Многочисленные ходатайства Ломоносова были наконец удовлетворены. Но на организационные хлопоты ушло ещё несколько лет. Ломоносов не терял их даром, выполняя огромное число поручений по созданию литературных и исторических произведений, работая над теоретическими проблемами физики, химии, геологии и других наук, он конструировал приборы и аппараты для лаборатории, готовил необходимые реактивы.

Осенью 1748г. постройка лаборатории была завершена. Она явилась первым подлинно научно-исследовательским учреждением в России. Химическая лаборатория помещалась в кирпичном здании с крышей из черепицы. Длина здания составляла почти 14 м, а ширина — около 8,5 м. Полезная площадь лаборатории равнялась 100 м². Лаборатория состояла из трёх комнат. В самой большой из них находились лабораторные печи. Другая была предназначены для взвешивания материалов, составления растворов и изучения результатов опытов. Эта же комната являлась рабочим кабинетом Ломоносова и аудиторией для чтения лекций. Третья, самая маленькая комната использовалась в качестве склада для хранения сырых материалов, приборов и химической посуды. Для этих целей предназначался также и чердак здания. Экспериментальные печи отапливались древесным углём, для хранения которого был построен специальный угольный сарай.

Основное оборудование лаборатории составляли плавильные, стекловаренные и перегонные печи. Именно печи Ломоносов называл "сильнейшим орудием химика". Все лабораторные печи устанавливались на кирпичной кладке. Над ней находился свод с общей трубой. В зависимости от характера исследований печи реконструировались или заменялись новыми. Помимо печей "самодувных", т. е. с естественной тягой, в лаборатории применялись печи с искусственной тягой от специальных мехов. Многие приборы в лаборатории были сконструированы самим Ломоносовым. Например, специальный прибор для фильтрования в вакууме, значительно ускоряющий этот процесс. Также Ломоносов сконструировал особый инструмент для исследования вязкости жидкости капельным методом, специальные точильные устройства, позволявшие определять твёрдость и износоустойчивость различных материалов. В лаборатории Ломоносова использовалась также модернизированная им "Папинова машина" — прообраз современного автоклава. Наконец, в распоряжении русского учёного находился одноцилиндровый воздушный насос для создания вакуума и ряд приборов для оптических наблюдений и измерений, среди них микроскопы и рефрактометры.

В январе 1749г. в лаборатории начались первые исследовательские работы. Одновременно Ломоносов продолжал пополнять её оборудованием, хлопотал о выделении "лаборантов" — помошников в экспериментах. Наряду с экспериментами, ставящими целью установить теоретические предпосылки химии как науки, Ломоносов осуществлял широкий круг исследований прикладного характера. В лаборатории регулярно производился анализ. металлических руд, различных солей и других материалов, разрабатывались способы приготовления минеральных красок и цветного стекла.

В последующие годы Ломоносов осуществил немало смелых экспериментов в своей лаборатории. Но работать в области физико-химических исследований становилось ему всё труднее. Слишком много времени отнимали труды в области литературы и истории, выполнение прямых поручений царицы, правящего двора и руководства Академии Наук. Много сил потребовалось для постройки фабрики в Усть-Рудице. Особенно трудоёмкой была работа по написанию "Российской истории". Царица через Шувалова настойчиво требовала быстрейшего выполнения этого задания, даже если для этого придётся прекратить все другие работы. Занятый делами, Ломоносов всё реже бывал в лаборатории,а в конце 50-х годов в его отчётах уже не упоминается о химических экспериментах.

В 1752-1754гг. Ломоносов прочитал студентам Академического университета специальный курс, названный им "истинной физической химией". В химической лаборатории осуществлялись практические занятия студентов по новому курсу и демонстрировались поясняющие опыты. Одновременно Ломоносов начал работу над учебником физической химии. Учёный, очевидно, не успел осуществить задуманный труд. Во всяком случае, до наших дней дошло лишь введение к курсу. По определению, которым Ломоносов начинал "Введение в истинную физическую химию", "физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях". Таким образом Ломоносов явился одним из предшественников современной физической химии, которая окончательно оформилась как наука лишь во второй половине XIX в.

Ломоносов — основоположник отечественной науки, создавший атомно-кинетическую концепцию строения вещества, установивший закон сохранения материи и движения.