В 1814 г. Авогадро изложил свою теорию в виде закона, который получил его имя: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул». Последнее уточнение означало, что, измеряя плотность разных газов, можно определять относительные массы молекул, из которых они состоят. Например, если в 1 л водорода содержится столько же молекул, сколько и в 1 л кислорода, то отношение плотностей этих газов равно отношению масс молекул водорода и кислорода.
Закон Авогадро дал химикам возможность экспериментально устанавливать состав молекул газообразных соединений. Так, из найденного опытным путем соотношения объемов водорода, кислорода и паров воды (2:1:2) логически можно сделать два вывода: молекулы исходных газов состоят из двух атомов, а молекула воды — из трех, и тогда верно уравнение 2Н + О = 2НО; молекулы водорода одноатомны, а кислорода и воды — двухатомны, и тогда верно уравнение 2Н + О= 2НО. (Кстати, даже через 50 лет после работ Гей-Люссака некоторые ученые продолжали настаивать на том, что формула воды НО, а не НО.) Разрешить дилемму удалось лишь на основании последующих опытов, из результатов которых следовало, например, что равные объемы водорода и хлора образуют удвоенный объем хлороводорода. Это опровергло предположение об одноатомности водорода: реакция Н + Cl = НСl не дает удвоенного объема НСl, следовательно, молекулы водорода (а также хлора и кислорода) двухатомны и верно уравнение 2Н + О = 2НО.
Удивительно, что такие простые доводы не смогли убедить некоторых химиков в справедливости закона Авогадро, и его теория десятилетиями оставалась незамеченной. Лишь с развитием молекулярно-кинетической теории газов ученые определили, что энергия удара молекул о стенки сосуда зависит не от массы самих молекул, а только от температуры: несмотря на то что легкие молекулы движутся быстро, а тяжелые медленно, в условиях неизменной температуры кинетическая энергия у них одинакова. Следовательно, равное число молекул в данном объеме оказывает одинаковое давление, и наоборот — равное давление двух газов свидетельствует об одинаковом числе молекул.
Одними из первых, кто начал борьбу за реформу теоретической химии, были французские ученые Ш. Жерар (1816–1856) и О. Лоран (1807–1853): именно они разработали правильную систему атомных масс и химических формул.
В 1856 г. русский ученый Д. Менделеев, а затем итальянский химик С. Канниццаро (1826–1910) предложили метод вычисления молекулярной массы соединений по удвоенной плотности их паров относительно водорода, и к 1860 г. этот метод прочно вошел в химическую практику, что имело решающее значение для утверждения атомно-молекулярной теории: