¿Qué les sucede *realmente* a los átomos en las reacciones químicas?

Tu intuición es acertada. Si tenemos dos átomos que se acercan entre sí con una gran energía cinética, tendrán demasiada energía para formar una molécula estable. Sus electrones interactuarán a medida que se acerquen, pero los dos átomos simplemente se cruzarán y se alejarán.

En muchos casos, la reacción es más como:

$$\mathrm{AB + CD \to AC + DB}$$

o variaciones de la misma, y ​​en este caso los productos de reacción pueden llevarse el exceso de energía como energía cinética por lo que se evita el problema. Sin embargo, cuando tienes una reacción como:

$$\mathrm{A + B \to AB}$$

los$\mathrm{AB}$molécula no tiene ninguna forma de disipar la energía.

Pero en la práctica ocurren reacciones como esta. Por ejemplo, si comienza con un gas de átomos de hidrógeno a temperatura ambiente, muy rápidamente terminará con$\mathrm{H_2}$moléculas. Por lo general, la reacción es posible porque los productos de la reacción pueden desprenderse de su exceso de energía al chocar con otras moléculas. El proceso sería algo como:

$$\mathrm{H + H \to H_2^*}$$

donde el$*$sobre el$\mathrm{H_2^*}$indica que está en un estado altamente excitado que normalmente se desmoronaría rápidamente en dos átomos nuevamente:

$$\mathrm{H_2^* \to H + H}$$

Sin embargo si el$\mathrm{H_2^*}$puede chocar con un átomo de hidrógeno, la energía adicional se puede transferir a energía cinética:

$$\mathrm{H_2^* + H \to H_2 + H + \text{kinetic energy}}$$

donde ahora el$\mathrm{H_2}$molécula y la$\mathrm{H}$átomo en el lado derecho tienen una gran energía cinética. Esta gran energía cinética es lo que llamamos calor, por lo que el resultado final es que la energía involucrada en la reacción química calienta el gas.

Para completar la respuesta de John, las reacciones químicas ocurren en la materia que está a cierta temperatura. Toda la materia sigue aproximadamente la curva de radiación del cuerpo negro que tiene una distribución de energía para los átomos/moléculas que la componen, dada su temperatura.

La temperatura está relacionada en termodinámica estadística con las energías cinéticas y vibratorias/rotacionales promedio en la muestra. Se puede ver que a temperatura ambiente (~300K), las radiaciones emitidas por los átomos/moléculas que interactúan son pequeñas fracciones de electronvoltios. La energía cinética de los átomos y moléculas es lo suficientemente baja como para permitir su captura por los canales disponibles. Las colas de la distribución con colisiones de alta energía tienen una probabilidad muy pequeña, cayendo exponencialmente.