В 1865 году Николай Николаевич защитил докторскую диссертацию «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими». В этой работе ученый показал влияние начальных концентраций реагентов на направление реакций, зависимость его от давления, влияние которого он понимал как влияние концентрации газов. Таким образом, Бекетов, по сути, предвосхитил открытие закона действия масс. Тогда же Николай Николаевич составил ряд металлов по способности вытеснять друг друга, который впоследствии в точности совпал с рядом напряжений.
Научные работы Николая Бекетова посвящены изучению зависимости направления химических реакций от состояния реагентов и внешних условий, исследованию химического сродства и того, какими свойствами это сродство определяется. Бекетов открыл вытеснение металлов из растворов их солей водородом под давлением; установил возможность протекания реакции в двух направлениях и дал точное определение состояния равновесия; исследовал вытеснение одних элементов другими из их соединений и связал эти процессы с «первоначальными химическими свойствами элементов – тем, что называется химическим сродством». Стремясь связать химические явления с «относительными массами и расстояниями между действующими частицами», Бекетов вплотную подошел к идее, что химические свойства веществ определяются свойствами их атомов – атомной массой и радиусом. (А между тем, сделан этот вывод был еще до опубликования Периодического закона, немудрено, что Николай Николаевич с таким восторгом воспринял теорию Менделеева.) Исходя из своих представлений о «прочности» (в современной терминологии – стабильности) соединения элементов с близкими атомными массами, Бекетов предложил в качестве наиболее сильного восстанавливающего агента алюминий. С его помощью химик осуществил восстановление некоторых металлов из их оксидов при высоких температурах, создав основы метода, позже вошедшего в практику под названием алюминотермии. Этот метод теперь широко используется в металлургии.
Студенты запомнили Бекетова как прекрасного лектора, умеющего увлекать слушателей. Часто по