Deuterium kan andere kinetische isotoopeffecten hebben dan waterstof, en de fysische en chemische eigenschappen van deuteriumverbindingen verschillen van die van waterstofverbindinge. D2O (zwaar water) is bijvoorbeeld viskeuzer en zwaarder dan H2O.

Zwaar water is ongeveer 10% dichter dan gewoon water, genoeg om ijs van zwaar water te laten zinken in normaal water.

De verschillen in bindingsenergieën en lengten van de isotopenverbindingen van zware waterstof zijn groter dan die van welk ander element dan ook. De bindingen tussen deuterium en tritium zijn sterker dan met gewone waterstof, en deze verschilles zijn groot genoeg om aanzienlijke veranderingen te veroorzaken in biologische reacties.

Zwaar water is dus giftig voor eukaryotische organismen. Bij een vervanging van 25% van het lichaamswater door zwaar water treden problemen op met celdeling en voortplanting, en bij een vervangingsratio van 50% veroorzaakt de dood.