Deuterium kan ha andre isotopkinetiske effekter enn hydrogen, og de fysiske og kjemiske egenskapene til deuteriumforbindelser er forskjellige fra hydrogenforbindelsene. For eksempel er D2O (tungt vann) tykkere og tyngre enn H2O.

Tungt vann er omtrent 10% tettere enn normalt vann, nok til at is dannet av tungt vann synker ned i normalt vann.

Forskjellene i bindingsenergi og lengde på forbindelsene mellom de tunge hydrogenisotopene er større enn forskjellene for noe annet grunnstoff. Bindingene mellom deuterium og tritium er sterkere enn med vanlig hydrogen, og disse forskjelmene er tilstrekkelig store til å føre til betydelige endringer i biologiske reaksjoner.

Således er tungt vann giftig for eukaryote organismer. Ved en erstatning av 25% av vannet i kroppen med tungtvann oppstår problemer med celledeling og reproduksjon, og en erstatningsrate på 50% forårsaker døden.