En el tema dedicado al modelo cinético-corpuscular de la materia nos hemos referido a los trabajos de Gay Lussac sobre la variación de los volúmenes gaseosos con la temperatura. Gay Lussac prosiguió sus investigaciones acerca del comportamiento de los gases estudiando los volúmenes de los gases que intervienen en las reacciones químicas. Observó que los volúmenes de los gases, tanto reactivos como productos, estaban entre sí en una relación muy sencilla, si la condiciones de presión y temperatura eran la mismas. Así por ejemplo:

En todos los casos, los resultados experimentales indicaban que al reaccionar los gases en las mismas condiciones de presión y temperatura, se combinan siguiendo relaciones volumétricas muy sencillas, enunciado que se conoce como ley de las relaciones volumétricas. Teniendo en cuenta esta ley, el científico italiano Avogadro (1776-1856) formuló en 1811 la siguiente hipótesis: Volúmenes iguales de cualquier gas, en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas.

De esta relación, que se conoció con posterioridad, se deriva directamente la hipótesis de Avogadro, puesto que al fijar la presión, P, y la temperatura, T,  se obtiene una misma relación para todos los gases entre el número de moléculas, N, y el volumen, V.

Una de las consecuencias que se derivan de combinar los resultados experimentales obtenidos por Gay Lussac con la hipótesis de Avogadro, es la necesidad de concebir que los átomos de un mismo elemento puedan unirse entre sí. Lo podemos comprobar al interpretar las reacciones (de síntesis del agua y de síntesis del cloruro de hidrógeno) a las que nos hemos referido un poco más arriba. Teniendo en cuenta que la relación entre el número de moléculas de las sustancias coincide con las que hay entre sus volúmenes (medidos a la misma presión y temperatura), se deduce que las moléculas del hidrogeno gaseoso, el oxígeno gaseoso y el cloro gaseoso tienen que ser di-atómicas

Este hallazgo obligó a replantear el concepto de elemento, que hoy se entiende constituido por átomos de un mismo tipo y no siempre lo hace con la misma fórmula química. Por ejemplo, el oxígeno se puede encontrar en la atmósfera en forma de O₂ (oxígeno) y también de O₃ (ozono). Ambas sustancias son diferentes desde un punto de vista químico, pero ambas son dos variedades alotrópicas (alotropía significa otra manera) del mismo elemento, oxígeno.