1877年之後，範特霍夫開始注意研究化學動力學和化學親合力問題。1884年，他出版了《化學動力學研究》一書。書中他不僅闡明瞭反應速度等化學動力學問題，而且還專門論述了化學平衡理論和以自由能為基礎的親合力理論。
範特霍夫從化學動力學開始，進而廣泛地研究了熱力學，特別是有關稀溶液的滲透壓問題。他把化學動力學、熱力學和物理測定統一起來，建立了物理化學的基礎。正如範特霍夫在創建立體化學時的遭遇一樣，物理化學的誕生也遇到了不少挫折。瑞典有一位大學畢業不久的年輕人，名叫斯萬特·奧古斯特·阿倫尼烏斯（Svante August Arrhenius）。他根據自己對溶液導電性的研究，提出了關於溶液的電離假說。但這一新理論的出現立即遭到國內不少學者的強烈反對。為了尋求理解與支持，阿倫尼烏斯把自己的論文寄給範特霍夫請求詣正。想不到身處異國的範霍夫一口氣讀完了論文後，不僅馬上領會了阿倫尼烏斯的基本觀點，並且由此受到了極大啟迪。他的腦子豁然開朗：電離作用！對，電離作用！這正是電解質溶液i＞＝1的原因。範霍夫認為，如果溶液中的電解質確實分解為離子，那麼溶液中的粒子數就會增多。同樣地，如果是由於粒子撞擊半透膜隔層而引起的滲透壓力，則很容易理解測量壓力為什麼會高於計算壓力值。他把自己的想法寫成論文並寫信告訴了阿倫尼烏斯，表示完全贊同電離學說。
範特霍夫在牧場養了許多奶牛，每天早上的任務就是把牛奶送給居民喝。即使在深冬的清晨，德國柏林郊區的街道，也一輛馬車疾駛而過。但很少有人知道趕馬車的人有如此的成就。而一位居住在此的女畫家卻知道這位送奶人的不一般，好幾個早晨她都想邀請送奶人來家裡小坐為他畫張肖像，可送奶人總是以不能耽擱送奶時間為由而拒絕邀請，其實畫家心裡明白，這個實驗迷的婉拒只是為了送完奶就立馬一頭鑽進化學實驗室。但有一點人們怎麼也沒有想到，有一天早上打開報紙的時候，一行引人注目的文字映入眼簾：“範特霍夫榮獲首屆諾貝爾化學獎！”整個版面都刊登了女畫家畫的素描像。就這樣，送鮮奶的範特霍夫和化學家範特霍夫在人們心中合二為一，人們親切地稱範特霍夫為“牧場化學家”。而範特霍夫心裡惦記著的，永遠是他的實驗！
範特霍夫在化學上的這些開創性貢獻，表明他高於前人和他的同代人，從而得到了崇高的榮譽。這當然與他自幼熱愛化學和在數學、物理學等方面的廣博而深逢的知識素養分不開。然而，注意哲學修養、不斷探求科學方法更使他具有非凡的創造想像能力，小時候對化學實驗的濃厚興趣，後來變成了他取得各項成果的基礎。他重視實驗，但又不像當時絕大多數科學家那樣侷限於狹隘的經驗。他善於巧妙地運用數學方法去整理實驗結果，並注意用類比等邏輯推理從數學方程式裡面推導出一些理論上的新緒論，這是他創立物理化學新學科的重要方法。而在立體化學創立過程中，則主要體現了他列模型方法以及科學假說方法的深刻理解和靈活應用、他總是站在哲學的高度去把握問題的精髓，勝人一籌。
他以罕見的熱情與幹勁勤奮終生，他常常廢寢忘食，日以繼夜地每天工作10多個小時。年近花甲時，範特霍夫終因長期積勞成疾，彼越來越重的肺結核病困擾著。在當時，這是種使人類束手無策的“不治之症”，使他日趨虛弱，身體消瘦，呼吸不暢。在朋友們的勸助下，他在柏林做了手術治療，卻仍不能恢復昔日的工作能力。頑強的範特霍夫每天躺在病床上仍離不了看書、整理資料和寫日記。精神稍好一點，他就躺不住了，要求醫生允許他去工作。一離開病床，他彷彿忘了病痛，又沉浸在研究工作之中。剛到瑞士不久的阿倫尼烏斯，立即專程來柏林看望這位同行摯友。當他看到這位科學劍客被病魔折磨得已不像樣子時，心裡非常難過。阿倫尼烏斯強忍著內心的不安，仍以熾烈的友情去寬慰他的異國戰友，鼓勵他安心休養，以便東山再起。然而這終歸只是一種願望，這次會面競是兩位化學巨匠的訣別。
1911年3月1日，年僅59歲的範霍夫不幸早逝。一顆科學巨星的隕落，震驚了世界化學界。荷蘭人民經受了失去一位忠實兒子的痛苦。為了永遠地懷念他，範霍夫的遺體火化後，人們將他的骨灰安放在柏林達萊姆公墓，供後人瞻仰。
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