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Der Isotopeneffekt ist der Unterschied bei chemischen und physikalischen Eigenschaften von Stoffen, die unterschiedliche Isotope beinhalten. Bei Wasserstoff und Deuterium sind die Unterschiede am größten, da sich hier die Isotopenmassen ungefähr um einen Faktor Zwei unterscheiden.

Bei der Untersuchung von Reaktionsmechanismen kann man den Isotopeneffekt ausnutzen, da eine Isotopensubstitution die Reaktivität nicht beeinflusst, aber die Reaktionsgeschwindigkeit messbar ändern kann (kinetischer Isotopeneffekt). Der Unterschied in der Reaktionsgeschwindigkeit entsteht durch die Absenkung der Energie des Moleküls bei Anwesenheit einer C-D-Bindung statt einer C-H-Bindung, durch die die Aktivierungsenergie erhöht wird (siehe auch: Arrhenius-Gleichung, Eyring-Theorie. Man unterscheidet den primären Isotopeneffekt, hier ist ein Atom der reagierenden funktionellen Gruppe durch sein Isotop ausgetauscht und den sekundären Isotopeneffekt, bei dem ein Atom in der Nähe der reagierenden Gruppe substituiert ist. Man substituiert meistens bestimmte Stellen in einem an der Reaktion beteiligten Molekül mit Deuterium oder Tritium und beobachtet die Isotopensubstitution der Reaktionsprodukte oder die Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit.

Weiterhin beruht die Gewinnung von schwerem Wasser (D₂O), das im Wasser natürlich vorkommt, auf dem geringfügigen Unterschied der Siedepunkte von H₂O und D₂O.

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