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在母亲玛利姬去世一年半后，门捷列夫的姐姐丽莎也随后离开了人世，他一下子变得孤苦伶仃。然而，门捷列夫并未因此消沉下去，而是以他那惊人的毅力开始了新的学习生活。
对于举目无亲又无财产的门捷列夫来说，学校就是他的家。当时，在大学虽然说是公费的，但是少量的奖学金只能买必要的书，同时维持很低的生活水平，门捷列夫几乎每天都是饿肚子的。
当饥饿难忍时，门捷列夫就想母亲的艰辛，想母亲的临终嘱咐。想到这些，他就不觉得饿了。他把注意力放到书本上，以精神的食粮慰藉着空空的肚子。
在如此艰难的条件下，门捷列夫不仅把本专业的课程学得很好，而且选修了相邻专业的课程。
著名的数学教授奥斯特洛格拉茨基和被誉为“俄罗斯航空之父”的茹可夫斯基，还有“大自然实验家”库托尔格教授都让门捷列夫对他们各自的领域产生了浓厚的兴趣。
后来，才华横溢、被称为“俄罗斯化学之父”的伏斯克列森斯基教授的出现，又使门捷列夫兴致盎然，一头钻进了化学的世界里。
19世纪40年代初，俄罗斯化学家的学术活动发生了重大转变。年轻科学家们摒弃了纯实用角度的课题，代之以理论和实验研究。这些研究活动都与化学和自然科学的最新成果有着千丝万缕的联系。
19世纪第一个十年，出现了一门有无限前景的新学科——有机化学，这引起了俄国化学家的特别注意。那时也出现了一批著名的有机化学家，其中包括伏斯克列森斯基和齐宁。
与此同时，俄国科学家在无机化学和物理化学领域也取得了重大成就，较有代表性的是克拉乌斯发现的新元素钌和高斯发现的热量守恒定律。
在这样的历史背景下，门捷列夫发现化学能帮助人们正确认识自然界，而且还能实现他从小就怀着的理想：为了人类的利益而获得简单、廉价和“到处都有”的物质。
于是，门捷列夫下决心要成为一个化学家。在这中间还有一个小小的插曲。
自从母亲去世后，门捷列夫失去了生活来源，为了能够有更多的钱买书和维持生活，他曾经利用放假期间，给有钱人家的孩子当家教。
他的动物学教授、科学院院士布兰特，有一大群孩子，因为欣赏门捷列夫的才华，同时也是为了帮助他，布兰特就让门捷列夫给他的孩子们上课。
受到布兰特教授的长期熏陶，门捷列夫一度把大部分精力投入到动物学的研究上。他按照布兰特教授的指示，写了一篇《关于圣彼得堡省的啮齿动物》的论文。除此之外，还写了另外一篇论文《动物大量繁殖的一些条件》。
门捷列夫兴致勃勃地想把这两篇论文都发表出来。他把其中的一篇寄给了莫斯科大学教授卢尔叶主编的《自然科学公报》。因为卢尔叶与布兰特两个人之间的学术分歧，造成了门捷列夫的论文被婉言拒绝了。
另一篇论文寄给了人民教育部的杂志，但也遭到了同样的冷遇。门捷列夫原本打算毕业后献身于动物学的研究，但遭到了这些挫折之后，他对动物学失去了兴趣。
如果当时门捷列夫坚持下去，相信动物学也会在这位天才的手中有所发展的。
门捷列夫喜欢的课程越来越多，他的时间变得越来越不够用。于是，他把吃饭的时间、睡觉的时间，甚至上厕所的时间都挤了又挤。
实验室、图书馆、宿舍三点一线构成了门捷列夫全部的生活。同学们都劝他注意休息，他感激地点点头，又坚决地摇摇头：“谢谢，但是我要锻炼自己。”
是啊，母亲死了，小姐姐丽莎也病故了，而他唯一能做的，就是学习、研究以告慰母亲。
长时间的营养不良加上超负荷的脑力劳动，使门捷列夫在大学三年级的时候，身体就垮了：食欲不振，面容消瘦，咳嗽不止，而且咳得好像要把五脏六腑都震碎了。由于咳得太厉害，两耳也开始嗡嗡作响，而且工作一会儿，就有眩晕的感觉。
由于影响了学习和工作，门捷列夫不得不去医院看病。
当那名老医生仔细听了门捷列夫的叙述后，皱起眉头。
“咯血吗？”
“偶尔有。”
“住院吧，小伙子。再这样下去，你的身体会吃不消的。”
门捷列夫犹豫了一下，想到现在正是实验进行的关键时刻，于是请求道：“能不能先给我开点药啊，我现在还有很重要的事情没有完成，完成了我再来住。”
老医生听了他的请求非常恼火：“小伙子，你今年多大啊。怎么就这么不注意自己的身体，没有好的身体，你怎么能够好好工作呢！”
门捷列夫依然苦苦地请求医生给他开药，并保证如果再咯血就立即来医院。
最后，老医生实在没有办法了，给他拿了点药，千叮咛万嘱咐让他稍有不适立刻就来。
门捷列夫拿了药，又急忙赶回了实验室。
门捷列夫不知道自己患上了肺病，这种病在当时是不治之症。
吃了药后的门捷列夫感觉好了点，他又开始了实验。但是，时间总是在不知不觉中滑过，吃药的时间总是被一次又一次地错过。最后，他竟然晕倒在了实验台边，被大家送进医院抢救。
经过医护人员的大力抢救，门捷列夫醒了过来，他的第一句话问的竟是实验的结果。在场的人又生气又佩服，气他对生命的不珍惜，佩服他对学习的执着与认真。
经过医生的一系列的全面检查，最后，门捷列夫被确诊得了肺结核。
知道这个消息后，门捷列夫惊呆了。命运为什么要如此捉弄人呢？它让那些游手好闲、无所事事的人拥有健康的身体，而我却患上绝症？我还有许多的事情没有完成，许多的知识没有掌握，还有很多的想法没有实现。
怎么办呢？是在那里瞪着天花板，等待着死神的到来，还是对死神置之不理，与病魔战斗到底？
他想到了父母的期望，想到了母亲为他上学遭受的屈辱，想到了课本上那些神奇的数字、奇怪的符号，他下定决心不服输，和病魔斗争到底。
门捷列夫又开始工作了，这让医护人员感到吃惊，没有一个病人是这么治病的。他把全部精力都花在查找资料和撰写论文上面，简直把病房当成了实验室，当成了课堂，当成了战场。
一开始，护士还对他加以劝阻，把他的书籍和笔记都收走了。但是，门捷列夫仍然凭着惊人的记忆力，思考或推导数学问题。后来大家干脆由他去了，反正他也是死马当活马医的濒危病人，在他生命最后的日子里，就遂他的愿吧。
一天，医生郑重其事地通知门捷列夫：“鉴于你的身体状况，请及时办理转院手续，到基辅继续治疗。”
门捷列夫听罢医生的指示，沉思了片刻，此时他想的不是基辅的和煦的风和温暖的阳光，他首先想到的是这里的老师、同学，想到的是他未完的学业。
门捷列夫微笑着对医生说：“基辅的确比圣彼得堡气候好，但我去了那里会失去很多东西，这样，我的病情说不定反而会加重。”
医生听罢无可奈何地摇了摇头。
门捷列夫住在学院的附属医院里，每天都能看到同学们在教室走进走出。门捷列夫急得不行，病情稍微有点好转他就要求出院。
大家全用一种不可置信的目光看着他，一位老医生劝他说：“在这里，我们已经不干涉你的学习了，你为什么非要出院啊！你知不知道你现在可是连翻个身都可以出危险的病人！”
门捷列夫说：“大夫，你要是让我卧床不起，那不是和死人一样了吗？在这里我虽然也可以学习，但是课本的知识是有限的，一个人的想法是局限的。所以我想出去。”
他的话、他的行为感动了大家，最后医院经慎重研究，同意了门捷列夫的请求，但叮嘱他一旦不适马上返院。
也许是病魔被这个顽强的小伙子吓跑了，门捷列夫的健康状况竟然逐渐恢复，慢慢有所好转了。
一个月后，门捷列夫完成了对芬兰褐帘矿的研究。第二年，他的第一篇论文《关于芬兰褐帘石和辉石的分析》，发表在矿物学协会的刊物上。
得知这个消息的人都感到十分惊讶，得了绝症，对门捷列夫来说到底是厄运还是一桩幸事呢？是不是死神也怕工作狂呢？而智慧之神却在此时敲击他的头脑。
不久，门捷列夫又开始研究同晶现象，为自己的毕业论文做准备。
同晶现象是指一种化合物中的元素被相似元素代替时，其结晶形式不变的现象。比如，甲元素与乙元素性质相似，那么，甲元素的化合物的结晶形式就同乙元素的化合物的结晶形式相同；反过来，由两种化合物的结晶形式的相同，同样也可以推知组成它们的某两种化学元素的性质是相似的。
1855年5月，门捷列夫毕业的日子到了。他给九泉下的母亲献上了一份最好的礼物：他是毕业生中成绩最好的，名列第一。他荣获了一枚金质奖章。
全体参加考试的人都向伏斯克列森斯基教授和他的天才学生致以热烈祝贺。一个普通学校的大学生，竟在读书期间取得了如此辉煌的研究成果，真叫人不敢相信。很多有远见的人都从这个聪明、执着、顽强的学生身上，看到了未来天才研究的潜质。
这种看法的根据，就是门捷列夫最初的一些科学研究工作，其成果就是这位青年人所做的毕业论文——《论同晶现象与结晶形状及其组成的其他关系》。
这篇著作被刊登在1856年的《矿业杂志》上，而且在同年出版了单行本，并得到学术界的广泛好评。
它是门捷列夫理论观念发展的起点，又是他后来发现化学元素周期律的基础。这篇文章把门捷列夫真正带进了化学研究领域，它决定了这位伟大的科学家的一生中的许多东西。
论文论述了把一种同晶物质中的晶体浸入另一种物质的饱和溶液中，可以看出，浸入液体中的晶体又在表面上生长出由溶解了的同晶物质的原子所构成的新层。
门捷列夫在师范学院实验室中培育了各种极不相同的物质的同类结晶体，而用各种天然矿物标本研究了同晶现象。他以极其浓厚的兴趣观察到同晶物质是怎样由溶液中结晶而出，成为同类构造的混合结晶体。
门捷列夫在研究同晶现象时，曾努力想获得关于同晶物质的各原子中间相互联系的概念，他正确地认识到研究这些联系就是研究化学的主要任务之一。后来门捷列夫称这种同晶现象为可以自然地使各种元素分组的重要属性之一。
门捷列夫深深地爱着他的母校，1904年，也就是大学毕业近50年时，他还十分温情地回忆起自己的母校，并将其所有的发展都要归功于这里。
门捷列夫满怀深情地说：
那时我只是一个领助学金的学生，甚至一度曾经只是旁听生。我对学习的热情完全可以因为没有机会而丧失殆尽，但是那里既有称心如意的课程，又有志同道合的同志和方便、舒适的图书馆、实验室。时间和精力没有浪费在路途奔波上，也没有消耗在衣食劳碌上。学校给我们提供了一切，一切东西都很容易弄到。
让我们拿什么，我们就去拿什么就可以了，因为教授可以告诉我们最好在哪里拿什么。教授们都是当时一流的学者，完全具备决定学校发展方向的实力，而我们所得到的一切无不取决于学校的发展方向。
我们学校注重数学，因为有奥斯特洛格拉茨基；注重天文学，因为有茹可夫斯基；注重物理学，因为有库托尔格；注重动物学，因为有布兰特；注重化学，因为有伏斯克列森斯基……