Вы правильно отметили, что при столкновении исходных молекул не может сразу получиться "готовая" конечная молекула, Максимум, что получится, это некое возбужденное состояние. Это возбуждение передается соседним молекулам, повышая их кинетическую энергию.

Однако предложенная Вами конкретная модель не совсем удачна, потому что она приводит к противоречию. Если две молекулы столкнулись с некоторой скоростью, то значит, их суммарная энергия уже заведомо больше порога диссоциации. Поэтому они не станут колебаться вместе, пытаясь долететь до третьей молекуле, чтоб отдать ей излишек энергии, а просто снова разлетятся и всё.

В реальности такие реакции идут в несколько этапов. Например, то же горение водорода включает в себя диссоциацию водорода, разнообразные парные и иногда тройные реакции. Утверждается, что при горении водорода надо учитывать аж до 40 одновременно протекающих реакций между радикалами H2, O2, H2O, OH, O, H, H2O and H2O2,
причем эти радикалы могут находиться в возбужденных состояниях (как колебательно, так и вращательно, и электронно-возбужденных). Так что превращение внутренней энергии в тепло происходит не одноэтапно, но в целом идея правильная: внутренняя энергия вначале высвобождается как некоторое возбуждение, которое затем рассасывается по соседям.