М.В. Ломоносов отчетливо сознавал, что между химией и физикой существует тесная связь, и потому считал необходимым “к химическим опытам присовокуплять... оптические, магнитные и электрические опыты, так как... химические эксперименты, будучи соединены с физическими… действия показывают”. В новой лаборатории учёный выполнил большое число различных физико-химических исследований. Многие его работы посвящены, например, поиску связи между строением прозрачных тел и их способностью преломлять лучи света.
При работе с растворами М.В. Ломоносов изучал их поверхностное натяжение. Он отвёл в лабораторном журнале специальный раздел для записей, посвящённых поднятию разных растворов и жидкостей в капиллярных трубках одной ёмкости при одном и том же “градусе теплоты” и их сравнению в отношении времени и высоты подъёма.
Исследуя растворение солей в воде, М.В. Ломоносов впервые установил, что этот процесс сопровождается тепловым эффектом. Он заметил также, что растворы кипят при более высокой температуре, а замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель, и установил качественную связь между концентрацией раствора и температурой его замерзания. Количественная связь между этими двумя параметрами была найдена лишь в 1878-м году – через 130 лет после работ русского учёного. М.В. Ломоносов впервые исследовал влияние температуры на растворимость солей и провёл измерение плотности растворов при различных температурах.
Выполнение Ломоносовым различных физико-химических исследований привело к созданию новой научной дисциплины – физической химии, которую он стал преподавать нескольким студентам Академического университета. В своём отчёте за 1752-й год учёный, в частности, писал: “Диктовал студентам первые основания физической химии и читал по ним лекции по 4 часа в неделю”. Лекции сопровождались показом опытов. Помимо прохождения теоретического курса, студенты обязаны были выполнять практические работы. Как и во многих других случаях, созданием этого курса М. В. Ломоносов опередил своё время более чем на столетие. Значение новой научной дисциплины учёные осознали лишь к концу XIX-го века.
Сохранился конспект и отдельные фрагменты ломоносовского “Курса истинной физической химии”, Начинается он определением: “Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях. Она может быть названа также химической философией, но в совершенно другом смысле, чем та мистическая философия, где не только скрыты объяснения, но и самые операции производятся тайным образом”.
Под физической химией М.В. Ломоносов понимал теоретическую химию, т. е. он ближе других исследователей подошёл к современному пониманию этого предмета. Учёный писал: “Мы захотели назвать этот труд физической химией потому, что решили, прилагая к тому всё старание, включить в него только то, что содействует научному объяснению смешения тел. Поэтому мы считаем необходимым всё, относящееся к наукам экономическим, фармации, металлургии, стекольному делу и т. д., отсюда исключить и отнести в особый курс технической химии”.
Основываясь на “корпускулярной философии”, М.В.Ломоносов решал фундаментальные проблемы химии и на этом пути не только получил ряд интересных результатов, но и смог поставить перед химией новые и важные задачи научного объяснения многих явлений. Так, он впервые поставил задачу установления зависимости физических свойств веществ от их состава.
Во “Введении в истинную физическую химию” учёный ясно указал на необходимость “познавать частные качества каждого смешанного тела, подвергаемого химическому исследованию, ...чтобы – когда будут познаны, при помощи операций, составные части – можно было наблюдать, в чём, насколько и каким образом изменяется данное качество от перемены известной составной части, и чтобы из взаимного соответствия того и другого уяснилась природа одного и истинная причина другого”.
Частными качествами М.В. Ломоносов называл физические свойства. Там же он пишет: “Среди частных качеств первым является проявляющееся различно в каждом теле: это – удельный вес”. Однако установление химического состава сложных веществ стало возможным лишь в конце XVIII-го века, когда учёные осознали роль кислорода в процессах горения, составили первый список химических элементов и разработали более совершенные методы количественного анализа.