В момент появления С. В. Лебедева в Ново-Александрии ассистентом кафедры органической химии этого института работал Александр Ерминингельдович Арбузов, один из крупнейших современных представителей бутлеровского направления в органической химии, известный своими фундаментальными исследованиями в области органических соединений фосфора.
В этой-то лаборатории и произошло первое знакомство двух выдающихся русских ученых. Так зародилась их многолетняя дружба.
«Однажды, помню как сейчас, — вспоминает об этом А. Е. Арбузов, — в мою скромную ассистентскую комнату вошел стройный молодой человек в военной форме, с бледным энергичным лицом — это был C. В. Лебедев. Он стал излагать мне свои планы научных работ, которые меня несколько удивили. В то время внимание химиков сильно привлекали процессы окисления органических соединений свободным кислородом и пытавшиеся объяснить эти своеобразные процессы теории, высказанные независимо друг от друга Бахом и Энглером. Одним из хорошо изученных объектов пероксидного (по Энглеру, мольоксидного) окисления был триэтилфосфин, который легко присоединял молекулу кислорода и давал таким образом «мольоксид». У меня тогда были в полном ходу работы по эфирам фосфористой кислоты, строение которых в некоторых отношениях сходно со строением фосфинов. С. В. Лебедев предполагал изучить действие кислорода на синтезированные мною эфиры фосфористой кислоты и просил меня разрешить ему воспользоваться моими соединениями, на что я немедленно выразил согласие. Планы изучения пероксидного окисления у Сергея Васильевича остались планами, но с тех пор мы встали, можно сказать, в дружеские отношения, и эти отношения не изменились до самой его неожиданной кончины».
Жизнь в Белевском полку, расквартированном далеко от театра военных действий, проходила монотонно. Командир полка недолюбливал «господ универсантов», присланных с пополнением из Петербурга, старался держать этих «крамольников» подальше от офицерского корпуса, Сергею Васильевичу, например, поручил командовать так называемой «трахомной командой». Дело в том, что чудовищная нищета, в условиях которой жило большинство населения царской России, особенно на окраинах, и отсутствие медицинской помощи способствовали распространению трахомы — тяжелого хронического заболевания слизистых оболочек глаза. И среди призванных в армию число трахоматозных было сравнительно велико. Так вот, в Белевском полку было решено больных трахомой изолировать. Вся военная подготовка этой команды протекала в удалении от полка. С. В. Лебедев, так же как и в первый период своего пребывания в армии, четко выполнял все уставные требования и хотя тяготился духом царской казармы, проявлял себя дисциплинированным офицером и хорошим строевым командиром. В полку его уважали также за исключительную меткость стрельбы из личного оружия.
В конце 1904 года Сергей Васильевич вырвался на короткое время в Петербург, а затем в начале 1905 года получил отпуск из полка на пять месяцев. Он задумал перевестись на пороховой завод, где со своей специальностью химика был бы более полезен, чем командир «трахомной команды».
Весной 1905 года в личной судьбе Сергея Васильевича произошло важное событие, оказавшее далеко идущее влияние на все стороны его жизни. После оформления развода со своей первой женой, И мая 1905 года, Сергей Васильевич сочетался браком с Анной Петровной Остроумовой. Бракосочетание состоялось в Богоявленской церкви, расположенной в окраинном районе Петербурга, на Гутуевском острове.
Анна Петровна Остроумова-Лебедева, дальняя родственница Сергея Васильевича, родилась в Петербурге в 1871 году. С детских лет у нее проявилась способность к рисованию. Еще будучи ученицей последних классов гимназии, она одновременно посещала подготовительные классы частного училища технического рисования (ныне Высшее художественно-промышленное училище имени В. И. Мухиной), куда и поступила после окончания гимназии. Три года она усердно изучала живопись, рисунок и гравюру, а в 1892 году перешла в Академию художеств, где занялась исключительно живописью. С 1896 года ее взял в свою мастерскую Илья Ефимович Репин. Но, занимаясь живописью, Анна Петровна не утратила интереса к гравюре и мечтала возродить это высокое искусство, считавшееся в то время прикладной, почти ремесленной, во всяком случае, подсобной полиграфической специальностью. Получив в этом вопросе поддержку своего первого учителя по училищу, знаменитого гравера профессора В. В. Мате, Анна Петровна не остановилась в своем увлечении перед тем, чтобы уйти из мастерской Репина. Она перешла в мастерскую Мате и в 1900 году представила на академический конкурс четырнадцать черных и цветных гравюр. Известные своим консерватизмом члены совета Академии художеств не сумели по достоинству оценить новаторство, явившееся в представленных ей работах, и она получила звание при очень неблагоприятном соотношении голосов.
В дальнейшем Анна Петровна Остроумова-Лебедева завоевала себе широкое признание выдающегося графика и акварелиста. Главное место в ее творчестве занимал лирический пейзаж. Особенно прекрасны ее акварели и гравюры, посвященные архитектуре Петербурга — Ленинграда и его пригородов.
Анна Петровна большое внимание уделяла также искусству портрета и, в частности, сохранила для нас в своих произведениях проникновенно художнически раскрытый облик ученого — Сергея Васильевича Лебедева.
Многогранное творчество Анны Петровны Остроумовой-Лебедевой было весьма продуктивным. Почти во всех многочисленных музеях нашей необъятной Родины и во многих заграничных собраниях можно найти замечательные произведения ее кисти или резца. Советское правительство высоко оценило значение и роль Анны Петровны Остроумовой-Лебедевой в развитии отечественного изобразительного искусства. В 1942 году ей было присвоено звание заслуженного деятеля искусств РСФСР, а в 1946 году звание народного художника РСФСР. В 1949 году А. П. Остроумова-Лебедева была избрана действительным членом Академии художеств СССР.
На протяжении почти тридцати лет Анна Петровна была верным другом Сергея Васильевича. Творческий энтузиазм, владевший обоими, душевная чуткость, отзывчивость ко всему прекрасному позволяли искусству живописи отлично уживаться с наукой химией. К слову сказать, в творчестве Сергея Васильевича как ученого неуловимо проскальзывают порой незаметные штрихи, показывающие художественную одаренность этой богатой натуры.
После свадьбы Анна Петровна и Сергей Васильевич ненадолго поселились в Карелии в Нодендале. В весенние месяцы и первые месяцы лета прозрачные леса, озера и камни Карелии особенно прекрасны. Белые ночи, когда «одна заря сменить другую спешит, дав ночи полчаса», особо подчеркивают прелесть, казалось бы скупой и бедной, в действительности лишь скромной, но многоликой северной природы. Пронизанные неярким северным солнцем сосновые леса, сбегающие с песчаных косогоров к тихим, глубоким озерам, небольшие, но быстрые речки создают тот необыкновенный и неповторимый колорит, который способствует отдыху и располагает к творчеству. Анна Петровна Остроумова-Лебедева писала в своих примечательных «Воспоминаниях», что именно в этот период у Сергея Васильевича проявилось несомненное дарование к рисунку и живописи, а также тонкое чувство и понимание пейзажа. В дальнейшем Сергей Васильевич не занимался живописью систематически, но сохранившиеся немногочисленные его рисунки наглядно подтверждают справедливость мнения, высказанного его женой.
Их роднило тонкое понимание искусства во всех его формах. Воспитанию этой стороны дарований Сергея Васильевича способствовало его постоянное общение с крупнейшими русскими художниками, товарищами и друзьями Анны Петровны. В кругу семьи Лебедевых часто можно было встретить крупнейших русских и советских художников, композиторов и музыкантов. Художественность натуры Сергея Васильевича проявлялась и в его научном творчестве на протяжении всей его жизни.
Проводимые им, по свидетельству его друзей и соратников, химические эксперименты были всегда настолько строго, тонко и изящно оформлены, что невольно приходило на ум сравнение их с произведениями искусства.